版10传热学1对流换热a

1、传热学Heat transfer张能源与动力学院Lecture 10Chapter 5 Single Phase FluidConvective Heat Transfer第五章单相流体对流换热Focus of This Lecture9自然/强迫对流换热差异本讲要点ü 强化对流换热简介ü 有限空间自然对流换热ü 自然对流换热相似特征数5-4 自然对流换热一、概述（1）自然对流的起因度静止的流体，与不同温的固体壁面相接触，热边界层内、外的密度差形成浮升力（或沉降力）p 温差固体壁面与流体的是自然对流的根本fB=(rf- gr )= rgbD研讨问题1与强迫对流换热

2、过程相比，自然对流换热过程在边界层内的速度分布和温度分布有何特征？导致这种差异的机理？与强迫对流换热过程相比，描述自然对流换热过程的方程有何差异，相似特征数是什么？树以竖壁强迫对流和自然对流为例 y = 0 u = 0 y = 0 u = 0T= y = d u = 0wTT=wT=yuTu¥¥TT=¥Ty 导致这种差异的机理: 起因不同y =d 或dt（2） 边界层的特征p 速度边界层的厚度与热边界层的厚度相等p 速度边界层内速度分布在内部呈现峰值p 在边界层边缘处，依然具有强迫对流边界层的特点¶u = 0¶T¶p = 0= 0y&

3、#182;y¶y¶y二、自然对流换热的数学描述(1) 竖壁上自然对流换热边界层微分方程组x¶u + ¶u = 0¶x¶ yr¶ 2T¶T¶T+ u=ua¶x¶y¶y 2在动量方程中，温度差诱导作用机制?的yuæ¶ur +¶mu=ö-¶p +¶ 2uçu ¶x¶y ÷g-¶y 2èø¶xx注意到动量方程中的的特征 ¶p /

4、2; y= 0梯度项静止流体中的受力分析pr¥g p (x)yx(+pxuæ¶ur +¶mu=ö-¶p +¶ 2uç u ¶x¶y ÷g-2èø¶x¶yu æ¶ru +r¶mu=ö(-)¶ 2uç u ÷¥g+2è¶x¶y ø¶y¶p = 0¶ydp=-r¥ g dxxp 假设：密度与温度

5、保持线性体积膨胀系数：-1 æ ¶r öæ1¶V ö =b (= dV /)V=ç÷ç÷r è ¶T ø pèV¶T ø pdTyuæ¶ur +b¶u=ö( -)m ¶ 2uç u÷ gT¥T+2è¶x¶y ø¶yr¥ - r = -rbT( ¥ -T)u æ¶ru +

6、r¶mu=ö(-)¶ 2uç u ÷¥g+2è¶x¶y ø¶yp 流体物性除浮升力项中的密度外均为常量 Boussinesq假设xy = d ,u ® 0, u ® 0;T ® T¥ , r ® r¥yæ¶u¶u ö¶2uç u ¶x + u ¶y ÷ = gb (T - T¥ )+n ¶y2èør

7、æ¶u + u ¶u ö = r b ( -)+ m ¶ 2uç u ¶x¶y ÷gTT¥¶y 2èø(2)描述自然对流换热的相似特征数引入无量纲参数-相似特征数推导的重要：xyX=, lY,luu=U ,u0TV,u0参考速度并无明确定义！-TfQ=-TTfw= - l æ ¶Q öl ç ¶Y ÷hxèøw, x¶U + ¶V= 0¶Y¶Xgb

8、 (Tw - Tf¶U¶U)l1 ¶2U+ V=+Re ¶Y 2U ¶X¶Y¶Qu20¶Qa ¶2Q¶2Q1+ V=U¶X¶Yu l ¶Y 2Re Pr ¶Y 20gb (Tw - Tf )læ u0l ö2gb (Tw - Tf )l3Gr =× ç÷=u2è nøn 2 0晓夫数l物理意义表征浮升力与黏性力比值的一种度量gb(Tw-Tf )æul 0lö2gb(T

9、w-Tf )3Gr =× ç÷=u2è nøn 2 0p 流态判据层流：Gr Pr < 108湍流：Gr Pr > 1010过渡区：108 < Gr Pr < 1010¶æQö=ç-¶Y N÷ uxèøw= 0,x¶U + ¶V¶X¶U¶YGr¶U1 ¶2U+ V=+U¶X¶YRe ¶Y 2Re21 ¶¶Q¶QQ2

10、+ V ¶=U ¶XP¶rY 2YRep 在自然对流中，Re不是一个的准则，而是Gr的函数，参考速度 u0 是由浮升力引起的Nu=f (Gr, Pr)Nu=f (Gr, Re, Pr)三、大空间自然对流换热Nu = C(Gr × Pr)n = CRan ;Tw = const自然对流湍流换热自模化现象注意: 对于自然对流湍流换热,准则关联式为:x利用该特性，湍流自然对流换热的实验研究可以采用的物体进行，只要求实验现象的 GrPr 值处较小于湍流范围自然对流湍流换热的表面传热系数与定型无关gb(T w -Tf ) 3Grx =n 2Nux= h xx =G

11、xrPr1)3l C(四、有限空间中的自然对流换热有限空间自然对流换热：热由封闭的有限空间高温壁传到它的低温壁的换热过程p 靠近热壁的流体因浮升力而向上运动，靠近体则向下的流p 有限空间中的自然对流换热是热壁与两个自然对流过程的组合间（1） 竖直夹层p 夹层厚度与高度比较大(大于0.3)冷热两壁的自然对流边界层互相干扰。可按无限空间自然对流换热规律分别计算冷、热两壁的自然对流换热及夹层总热阻p 夹层厚度与高度比较小(小于0.3)夹层内冷、热壁上两股边界层相互结合和影响，出现行程较短的环流；夹层中可能有若干个环流（2）水平夹层p 热面在上冷热面之间无导热问题分析发生；若无外界扰动，则应按p 热面

12、在下Grd<1700，自然对流难以形成，可按导热问题分析Grd>1700 ，形成相互交替上升和下降的对流，呈现有序的蜂窝状分布的环流；Grd>5000 ，蜂窝状分布的环流消失，出现湍流研讨问题2与固体导热系数的测量相比，测量气体导热系数将会什么样的难点？简要分析一下如何克服上述问题。有限空间中的自然对流换热的计算通常把两侧的换热用一个当量表面传热系数来表示：TwT2 夹层的热壁和w1、温度he 当量表面传热系数 W/m2K封闭夹层空间自然对流换热准则关联式：nh ddæö()mel+Nud=CGrPrç÷dè H ø

13、：d定性温度：定型=Tw 1Tw2Tm2H 垂直夹层高度 m= he( Tw1-)Tw2封闭夹层的换热强弱也用当量导热系数表示：q = h (T)= hedl (T)= Nu()ld- T- T- TTdew1w1w1w2w2w2ldNud = lelq = le (Tw1 - T)dw2例题温度为371，面积为 0.3´0.3m2 的铁板，从热处理炉中取出，水平悬挂在空气中自然冷却，车间内温 度为28，求其对流换热的散热量。例题有一封闭水平夹层，内部抽气后气压为30000Pa，夹层为正方形，边长为0.5m，两壁间距为0.04m，温度分别为60和40，试计算两壁间的对流换热 量，并与未抽气前自然对流换热速率进行比较。混合对流换热简介在重力场（或离心力）中，在任何非定温的受迫对流过程中，由于流体各部分温度的差异而出现 密度差 引起不同程度的自然对流p 在受迫对流换热中，若流速和动量转移率很大，则自然对流换热的以忽略p 若密度差很大，则浮升力（或离心力）引起的自然对流的能大到无需考虑受迫对流的