第10章__对流换热

1、第十章第十章 对流换热对流换热一、对流换热一、对流换热定义及基本公式定义及基本公式 定义：流动的流体和静止的固体壁面直接接触时定义：流动的流体和静止的固体壁面直接接触时 所发生的传热现象称为对流换热。所发生的传热现象称为对流换热。 基本公式：基本公式：牛顿冷却公式牛顿冷却公式h对流换热系数，对流换热系数，W/（m2 C） 101 对流换热的基本概念对流换热的基本概念影响对流换热的因素很多，都包含在影响对流换热的因素很多，都包含在 h 中。中。 研究目的：研究目的： 求取求取h。 m W/)(W )(2wwtthqtthA或二、二、影响影响 h 的因素的因素1. 流动起因流动起因自由流动自由流动

2、由流体冷热各部分的密度差引起；由流体冷热各部分的密度差引起；受迫流动受迫流动受外力（如风机、水泵等）推动受外力（如风机、水泵等）推动 而引起。而引起。在其它条件相同的情况下：在其它条件相同的情况下：自然受迫hh2. 流动状态（简称流态）流动状态（简称流态） 层流层流流层之间互不掺混流层之间互不掺混 热传导热传导；湍（紊）流湍（紊）流流体质团相互掺混流体质团相互掺混热对流热对流一般情况下一般情况下, , h紊紊h层层流态的判据流态的判据: 受迫对流受迫对流Re（雷诺数）（雷诺数） 自然对流自然对流Gr Pr (格拉晓夫数与普朗特数的乘积格拉晓夫数与普朗特数的乘积)定义式：定义式：ululRe式中

3、：式中： u特征速度（公式规定的代表性速度）特征速度（公式规定的代表性速度）l 特征（定型）尺寸（对流动有决定性影响）特征（定型）尺寸（对流动有决定性影响） 动力粘度，动力粘度，kg/（ms） 运动粘度，运动粘度，m2/s。Re的物理意义：的物理意义：惯性力惯性力(量纲分析量纲分析)摩擦阻力摩擦阻力luuul2Re流态区分流态区分层流层流紊流紊流过渡流过渡流 两种流态交替出现两种流态交替出现或兼而有之。或兼而有之。ReRec1ReRec2Rec1ReRec2不同对流换热情况下不同对流换热情况下, Rec 的值不同。的值不同。3.3.流体的物性流体的物性不同的不同的流体，物性不同；流体，物性不同

4、；定性温度来确定物性的温度。定性温度来确定物性的温度。同一同一流体，温度不同，物性也不同。因此用流体，温度不同，物性也不同。因此用定性温度的选取方式：定性温度的选取方式： 流体进出口的算术平均温度流体进出口的算术平均温度 tf ； 壁表面温度壁表面温度 tw ; 流体与壁面的算术平均温度流体与壁面的算术平均温度4. 换热面的几何因素（尺寸、形状和位置等）换热面的几何因素（尺寸、形状和位置等）几何因素主要影响流体的流动状态、边界层的形成几何因素主要影响流体的流动状态、边界层的形成和发展（速度、温度分布）等。其影响通过定型尺和发展（速度、温度分布）等。其影响通过定型尺寸来表征寸来表征（参见（参见P

5、.157 图图10-3、1-4）。）。常用无量纲准则普朗特数常用无量纲准则普朗特数 Pr (物性参数物性参数)来反映物性来反映物性对对流换热的影响。对对流换热的影响。acpPr5. 流体有无相变（有相变流体有无相变（有相变 h 大）大）本章重点本章重点单相流体受迫对流换热单相流体受迫对流换热三、三、h 的确定方法的确定方法 建立边界层微分（或积分）方程组并分析求解；建立边界层微分（或积分）方程组并分析求解； 由热量和动量传递规律类比求解；由热量和动量传递规律类比求解； 相似理论指导下的实验法；相似理论指导下的实验法； 数值计算方法。数值计算方法。四、流动边界层和热边界层四、流动边界层和热边界层

6、1. 流动（速度）边界层流动（速度）边界层（1 1） 流动边界层的定义流动边界层的定义：由于流体粘性作用，在壁：由于流体粘性作用，在壁面附近形成的速度梯度很大的薄层。面附近形成的速度梯度很大的薄层。形成机理形成机理：在粘性作用下，流体与壁面间的摩擦力：在粘性作用下，流体与壁面间的摩擦力以及流体每层之间的摩擦力使近壁区速度逐层降低。以及流体每层之间的摩擦力使近壁区速度逐层降低。在紧贴壁面在紧贴壁面y = 0 处，速度处，速度 ux= 0。设设：u (uf) 为来流速度为来流速度99. 0uuxy 处，处， 则则 0 的薄层称为速度边界层。的薄层称为速度边界层。 在边界层内在边界层内,很大，故很大

7、，故也较大。也较大。切向粘性力切向粘性力(维持层流维持层流 , 阻碍流体沿阻碍流体沿 y 向流动向流动) 主流区：边界层以外，流速维持主流区：边界层以外，流速维持u (u f)基本不变基本不变 的区域。在主流区中，的区域。在主流区中， 。（2 2） 掠过平板时边界层的形成和发展掠过平板时边界层的形成和发展设：流体以设：流体以 uf 流进平板前缘流进平板前缘 起始处起始处 x = 0，= 0；之后之后 x ,速度速度梯度梯度 ; xxc, 为层流段为层流段, 起支配作起支配作用用, 速度分布为抛物速度分布为抛物线；线； x = xc处，层流边界层开始变得不稳定处，层流边界层开始变得不稳定, 惯性

8、力粘性惯性力粘性力，若力，若 uf 为紊流，沿为紊流，沿 y 向有惯性力向有惯性力, 层流流动状态开始层流流动状态开始由层流由层流 过渡流过渡流紊流扩展变化，紊流扩展变化，变厚。变厚。原因：紊流传递能量大，把粘性力传到了较远的地方。原因：紊流传递能量大，把粘性力传到了较远的地方。边界层厚度边界层厚度 、 ux变化如图。变化如图。层流底层：层流底层：稳定边界层稳定边界层中紧贴壁面仍保持层流的极薄层。中紧贴壁面仍保持层流的极薄层。 最后形成三层结构的最后形成三层结构的稳定边界层稳定边界层 : 层流底层层流底层 + 缓冲层缓冲层(过渡层过渡层) + 紊流核心紊流核心2. 热边界层（温度边界层）热边界

9、层（温度边界层） 定义：由于温差作用，在壁面处形成的温度梯度定义：由于温差作用，在壁面处形成的温度梯度 很大的薄层。很大的薄层。设：设：, 则则为热边界层。为热边界层。即：可近似认为是从壁面至即：可近似认为是从壁面至 t = 0.99 tf 处的距离。处的距离。 层流 层流 温度分布温度分布（3）热边界层的几个特点：）热边界层的几个特点： 热边界层热边界层与物体的几何尺寸相比很小与物体的几何尺寸相比很小, 形成一般比形成一般比速度边界层晚，因传热需要时间；速度边界层晚，因传热需要时间； 一般一般t，只有当只有当a =时，二者相等时，二者相等. t 反映反映 流体的热量扩散能力流体的热量扩散能力

10、, 与与 a 有关有关 ,反映流体的动量扩反映流体的动量扩散能力散能力, 与与有关有关 。因此。因此 Pr 数反映了动量和热量在数反映了动量和热量在流体中扩散的相对能力；流体中扩散的相对能力； 热边界层形态与速度边界层层流段相似。热边界层形态与速度边界层层流段相似。边界层边界层内温度分布呈抛物线型内温度分布呈抛物线型, 壁面处温度梯度最大，边界层壁面处温度梯度最大，边界层外可近似看作等温流动。外可近似看作等温流动。对流换热热量传递机理：对流换热热量传递机理：包含包含对流对流流体质点不断运动和混合产生宏流体质点不断运动和混合产生宏 观热对流（主要在紊流区）。观热对流（主要在紊流区）。导热导热流体

11、与壁面、流体分子之间的微流体与壁面、流体分子之间的微 观导热作用（主要在层流区）。观导热作用（主要在层流区）。102 对流换热的基本方程组对流换热的基本方程组对流换热微分方程组包括：对流换热微分方程组包括：连续性方程、动量微分方程、能量微分方程、连续性方程、动量微分方程、能量微分方程、对流换热微分方程。对流换热微分方程。即利用了即利用了对流换热量对流换热量=导热量导热量原理，见原理，见P.176（10.6）利用对流换热微分方程组和边界层理论利用对流换热微分方程组和边界层理论, 可求得边界可求得边界层局部对流换热系数层局部对流换热系数 hx ,然后积分得然后积分得h 。(10.10)直接实验法的

12、局限性：直接实验法的局限性： 只能用于特定的实验条件下完全相同的现象；只能用于特定的实验条件下完全相同的现象； 在某些情况下，由于条件的限制或是影响的因素在某些情况下，由于条件的限制或是影响的因素 太多，需进行成千上万太多，需进行成千上万次实验，才能找出规律；次实验，才能找出规律； 对尚未建造的、特大型的设备，不能用此法探索对尚未建造的、特大型的设备，不能用此法探索其规律性；其规律性； 常常只能得出个别量之间的规律性关系，难以抓常常只能得出个别量之间的规律性关系，难以抓 住现象的全住现象的全部本质。部本质。103 相似理论基础相似理论基础相似理论指导下的模型实验的结果可以相似理论指导下的模型实

13、验的结果可以推广到相似的推广到相似的现象中去，而且可以减少现象中去，而且可以减少实验次数实验次数。1、几何相似。与流体相接触部分形状相同，几何尺、几何相似。与流体相接触部分形状相同，几何尺寸成比例；寸成比例；2、物理物理现象相似。同类物理现象在对应时刻、对应现象相似。同类物理现象在对应时刻、对应空间点的同名物理量成比例。空间点的同名物理量成比例。（几何（几何相似相似、时间、时间相似、相似、物理场相似）物理场相似）二、相似原理二、相似原理1、相似性质、相似性质 彼此彼此相似的现象相似的现象, 其同名相似准则必相等。其同名相似准则必相等。（证明见（证明见P.182）一、相似的概念一、相似的概念2、

14、相似准则数与准则间的关系、相似准则数与准则间的关系（1） 对流换热常用准则对流换热常用准则hLNu 努谢尔特准则努谢尔特准则uLuLRe 雷诺准则雷诺准则acPrp 普朗特准则普朗特准则 葛拉晓夫准则葛拉晓夫准则23tLgGrv（注意与（注意与Bi的区别）的区别）（未定准则）（未定准则）（2） 对流换热常用准则的物理意义对流换热常用准则的物理意义 努谢尔特准则努谢尔特准则Nu（未定准则）（未定准则）也可看作壁面处的温度变化率与沿特征尺寸也可看作壁面处的温度变化率与沿特征尺寸 l 的平的平均温度变化率之比（均温度变化率之比（又称无量纲温度梯度又称无量纲温度梯度）。）。壁面处的温度梯度壁面处的温度

15、梯度h对流换热越强烈。对流换热越强烈。Nu 反映对流换热强弱。反映对流换热强弱。导热量对流换热量ltthhlNu0yytthltytlhy0Nu由由 Re惯性力惯性力流体运动激烈程度流体运动激烈程度换热强度换热强度 Re 反映流体运动状态对换热的影响。反映流体运动状态对换热的影响。雷诺准则雷诺准则 Re普朗特准则普朗特准则 Pr 运动粘度与导温系数的比值。运动粘度与导温系数的比值。 aPrPr 反映物性对换热的影响。反映物性对换热的影响。luuulul2Re惯性力与摩擦阻力之比惯性力与摩擦阻力之比 格拉晓夫准则格拉晓夫准则Gr容积膨胀系数（容积膨胀系数（1/K）表示浮升力与粘性力的相对大小。表

16、示浮升力与粘性力的相对大小。Gr浮升力浮升力粘性力粘性力自然对流换热自然对流换热Gr 反映流体自然对流换热的强弱。反映流体自然对流换热的强弱。3223GrLtgtLgVVtV00、0温度升高前后的密度温度升高前后的密度同类现象，单值性条件相似，同名已定准则数相等。同类现象，单值性条件相似，同名已定准则数相等。3、判别相似的条件、判别相似的条件（3）相似准则间的关系）相似准则间的关系描述物理现象的微分方程式表达了各物理量之间的描述物理现象的微分方程式表达了各物理量之间的函数关系，那么由这些量组成的相似准则间也应存函数关系，那么由这些量组成的相似准则间也应存在函数关系。在函数关系。函数形式函数形式

17、一般表示为：一般表示为：0)GrPr,Re,Nu,(或或)GrPr,Re,(Nuf（具体情况详见（具体情况详见P.183）三、由实验确定的准则方程式的具体形式三、由实验确定的准则方程式的具体形式紊流受迫对流换热：紊流受迫对流换热：层流受迫对流换热：层流受迫对流换热：不考虑不考虑升浮力影响时为：升浮力影响时为：自然对流换热：自然对流换热：对于气体，对于气体，Pr 可看作常数。可看作常数。C、m、n、s 均均由实验整理确定，具体过程参见由实验整理确定，具体过程参见P.184。mnCPrReNu smnCGrPrReNu mnCPrReNu nsmCCPrGrNuGrPrNu或 利用实验研究确定利用

18、实验研究确定准则间的函数关系时准则间的函数关系时，常经验地，常经验地取取对流换热准则方程式为对流换热准则方程式为指数函数指数函数的形式。的形式。10-4 单相流体强迫对流换热的准则方程单相流体强迫对流换热的准则方程一、一、 管内强迫流动换热管内强迫流动换热 包括包括非圆管非圆管 (槽槽) 道道1. 流动和换热特征流动和换热特征 流动特征流动特征i）边界层特点：入口段：边界层形成发展）边界层特点：入口段：边界层形成发展在充分发展（定型）段：边界层速度分布完全定型。在充分发展（定型）段：边界层速度分布完全定型。Re 2300： 层流层流2300 Re 104： 紊流紊流ememduduRe对管内流

19、动对管内流动:ii）流动状态判据）流动状态判据Reiii）入口段长度）入口段长度层流：层流：紊流：紊流：同样，热边界层也有入口段和充分发展段（见同样，热边界层也有入口段和充分发展段（见P.186）iv）hx 变化规律：变化规律：层流层流hx 的变化规律与边界层的形成发展规律有关。的变化规律与边界层的形成发展规律有关。2. 管内流体与管壁的平均温差管内流体与管壁的平均温差t（1 1）常热流边界条件（常热流边界条件（ ）constq 定型段流体与管壁温度均呈线性变化。定型段流体与管壁温度均呈线性变化。 )(21)(21, mfmwmttttt（2 2）常壁温条件（常壁温条件（t w= const ）管内流体温度呈对数规律变化，管内流体温度呈对数规律变化，全管长流体与壁面间全管长流体与壁面间的平均温差的平均温差 为对数平均温差（推导详见第为对数平均温差（推导详见第12章）章） ： lntttttm3. 管内强迫对流换热准则方程管内强迫对流换热准则方程（非唯一）（非唯一） （1）湍流）湍流强迫对流换热强迫对流换热0.80.40.023RePrffftlRNuc c c算术平均温差算术平均温差2 tt时，可用算术平均温差。时，可用算术平均温差。 边界层内温度分布（热流方向）的影响边界层内温度分布（热流方向）的影响对液体：对液体：t，故，故加热