传热传质学-对流第01章基本方程

2023/2/21

(对流部分)

2023/2/22概述一．概述2．对流换热：

流体绕流固体表面时，若两者之间存在温度差，就会有热量传递固体表面之间，这种流体与固体表面的热交换为对流换热。

1．热对流：

发生在流体中，热量通过导热从固壁传入流体后，一部分以焓的形式被运动着的流体带向下游。这部分热量为热对流。

2023/2/23概述近几十年来的物理成就，流体层流、湍流发展，深刻认识了换热过程的物理本质。相似理论发展：寻求相似变量把偏微分方程转换为常微分方程

附面层理论实质

3．对流换热发展背景及意义★对流换热是热传导和热对流两种机理联合作用下发生的流体与固体表面之间的热量交换过程。

2023/2/24概述3．对流换热影响因素

（1）流体运动情况：

流速、壁面几何形状、壁面尺寸和位置及表面情况有关。层流：

湍流：

（2）按照对流发生运动原因，可把对流换热分为：

受迫对流换热：流体微团做层状运动，没有横向参混。流体微团做不规则的脉动式运动，有横向参混。受到某种外力作用，在流体内造成压差（△P）,推动流体做受迫振动时的换热。2023/2/25概述自然对流换热：遵循规律不同，换热规律不同。

流体内部各处温度不同，造成密度的差异，在浮升力作用下发生运动的换热。

（3）对流换热工程中，流体可能会发生相的变化有相变的对流换热。

（4）流体的物理性质是影响对流换热的重要因素。

物性参数是温度和压强的函数。2023/2/26

5．我们这部分主要讲的内容

介绍对流换热理论中最简单、最基本的内容，阐明流体绕流平壁、楔型体、曲面时对流换热的物理本质。

4．求解方法解析解、实验方法求解、数值计算方法求解。

2023/2/27

第一章基本方程2023/2/28第一章基本方程宏观方法（流体看成是连续介质）

流体阻力与流体与壁面间的换热

求解连续方程、动量方程、能量方程，加上状态方程、单值性条件

遵循物理基本定律：质量守恒、动量守恒、能量守恒

2023/2/29换热方程：（单位时间对流换热传递的热量可用牛顿公式表示。）（付利叶定律用于紧贴壁面的流体层）2023/2/210一.连续方程（质量方程）

连续方程质量守恒定律在运动流体中具体表现

在流场中取微元控制体，边长为、、单位时间通过、控制面质量流量为：单位时间通过、控制面质量流量为：在方向流入与流出质量差为：同样，在、方向：、

2023/2/211控制体内有流体质量为：时间内，控制体内流体质量为：控制体内流体质量增量为：根据质量守恒定律：流入与流出控制体的质量之差等于控制体内流体质量增量。2023/2/212二.运动方程运动方程将动量守恒定律用于流场中微元控制体

、、分别代表作用于控制体上的彻体力：

运动方程2023/2/213

表面力为：压力、粘性力（剪切力）代表垂直于、、三个轴向的表面应力、、2023/2/214为垂直应力：压力和流体有关的法向应力，剪切应力；控制体上的表面力为：2023/2/215则2023/2/216粘性流体表面应力与流体微团单位时间的变形率成线性关系。流体是各向同性的。（表面应力与单位时间变形率关系不随坐标系选取而改变）静止流体没有粘性应力。表面应力就是流体压强，此时应力张量为求解应力表达式，做如下假设：热力学参数压强2023/2/217

流体变形率张量2023/2/218基于假设2023/2/219在流体中定义压强是表面应力张量中三个垂直分量的算术平均值假设：运动方程：2023/2/220能量方程三.能量方程能量守恒定律：加入微元控制体的热量与作用于控制体内流体的表面应力对流体所做的功等于微元控制体能量增量

加入微元控制体的在进口面以导热形式传入热流：、

、

2023/2/221

在出口面以导热形式传出热量：、

单位时间以微元控制体静热量为：表面力对控制体流体所做的功2023/2/222单位时间内控制体能量变化得出：2023/2/223

能量方程化简：∴

2023/2/224耗散函数单位时间的流体由于粘性的作用，在单位时间内所消耗的能量，这部分能量转变为摩擦热。四.单值性条件

单值性条件：时间条件、几何条件、物理条件、边界条件1）时间过程进行特点：2）几何条件：

3）物理条件：4）边界条件：2023/2/225基本方程的无量纲形式及无量纲综合数

五.基本方程的无量纲形式及无量纲综合数连续方程：（爱因斯坦求和约定）对定常流，动量方程：2023/2/226能量方程：……

任何一变量都可用自身表示2023/2/227例：无限空间绕流流场，其独立的自由变量1、连续方程：

2、动量方程：3、能量方程：

2023/2/2284、状态方程：高斯测量单位选择规定：人们可以自由选择若干个基本单位（相互独立且第k个基本单位不能由其余（k-1）个基本单位得出），另外一些物理量单位，则必须由基本单位且由科学定律和科学定义来规定。这种由基本单位推导出的单位称导得单位或准则性单位。2023/2/229动量方程：2023/2/230能量方程：1）2023/2/231

2)：描述气流的动温（即滞止温度与静温之差）和壁温与气流静温之差比值2023/2/2323)2023/2/233

4）无因次换热方程：5）一些参数的物理意义：整个流体体系，惯性力与粘性力的特定度量之比。A、2023/2/