第10章-对流换热

第十章对流换热一、对流换热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所发生的传热现象称为对流换热。基本公式：牛顿冷却公式h——对流换热系数，W/（m2·C）

10－1对流换热的基本概念影响对流换热的因素很多，都包含在h中。研究目的：求取h。二、影响h的因素1.流动起因自由流动——由流体冷热各部分的密度差引起；受迫流动——受外力（如风机、水泵等）推动而引起。在其它条件相同的情况下：2.流动状态（简称流态）层流流层之间互不掺混——热传导；湍（紊）流流体质团相互掺混——热对流一般情况下,h紊＞h层①流态的判据:受迫对流——Re（雷诺数）自然对流——GrPr(格拉晓夫数与普朗特数的乘积)定义式：式中：u——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）——动力粘度，kg/（m·s）——运动粘度，m2/s。Re的物理意义：惯性力(量纲分析)摩擦阻力②流态区分层流紊流过渡流——两种流态交替出现或兼而有之。Re＜Rec1Re＞Rec2Rec1＜Re＜Rec2不同对流换热情况下,Rec的值不同。3.流体的物性①不同的流体，物性不同；定性温度来确定物性的温度。②同一流体，温度不同，物性也不同。因此用定性温度的选取方式：流体进出口的算术平均温度tf

；壁表面温度tw

;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）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。其影响通过定型尺寸来表征（参见P.157图10-3、1-4）。常用无量纲准则普朗特数Pr(物性参数)来反映物性对对流换热的影响。5.流体有无相变（有相变h大）本章重点——单相流体受迫对流换热三、h的确定方法建立边界层微分（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；相似理论指导下的实验法；数值计算方法。四、流动边界层和热边界层1.流动（速度）边界层（1）

流动边界层的定义：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。形成机理：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。在紧贴壁面y=0处，速度ux=0。设：u∞

(uf)

为来流速度y＝处，

则0～的薄层称为速度边界层。

在边界层内,很大，故τ也较大。τ—切向粘性力(维持层流,阻碍流体沿y向流动)主流区：边界层以外，流速维持u∞

(u

f)基本不变的区域。在主流区中，。（2）掠过平板时边界层的形成和发展设：流体以uf

流进平板前缘①起始处x=0，δ=0；之后x↑—δ↑,速度梯度↓

—

τ↓;

x＜xc,,为层流段,τ起支配作用,速度分布为抛物线；②x=xc处，层流边界层开始变得不稳定,惯性力＞粘性力，若uf为紊流，沿y向有惯性力,层流流动状态开始由层流→过渡流→紊流扩展变化，δ变厚。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δ、ux变化如图。层流底层：稳定边界层中紧贴壁面仍保持层流的极薄层。③最后形成三层结构的稳定边界层:层流底层+缓冲层(过渡层)+紊流核心2.热边界层（温度边界层）⑴定义：由于温差作用，在壁面处形成的温度梯度很大的薄层。设：,则为热边界层。即：可近似认为是从壁面至t=0.99tf处的距离。层流层流⑵温度分布（3）热边界层的几个特点：①热边界层与物体的几何尺寸相比很小,形成一般比速度边界层晚，因传热需要时间；②一般δ≠δt，只有当a=ν时，二者相等.δt

反映流体的热量扩散能力,与a有关

,δ反映流体的动量扩散能力,与ν有关

。因此Pr数反映了动量和热量在流体中扩散的相对能力；③热边界层形态与速度边界层层流段相似。边界层内温度分布呈抛物线型,壁面处温度梯度最大，边界层外可近似看作等温流动。对流换热热量传递机理：包含对流——流体质点不断运动和混合产生宏观热对流（主要在紊流区）。导热——流体与壁面、流体分子之间的微观导热作用（主要在层流区）。10－2对流换热的基本方程组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、对流换热微分方程。即利用了对流换热量=导热量原理，见P.176（10.6）利用对流换热微分方程组和边界层理论,可求得边界层局部对流换热系数hx,然后积分得h。(10.10)直接实验法的局限性：①只能用于特定的实验条件下完全相同的现象；②在某些情况下，由于条件的限制或是影响的因素太多，需进行成千上万次实验，才能找出规律；③对尚未建造的、特大型的设备，不能用此法探索其规律性；④常常只能得出个别量之间的规律性关系，难以抓住现象的全部本质。10－3相似理论基础相似理论指导下的模型实验的结果可以推广到相似的现象中去，而且可以减少实验次数。1、几何相似。与流体相接触部分形状相同，几何尺寸成比例；2、物理现象相似。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。（几何相似、时间相似、物理场相似）二、相似原理1、相似性质

彼此相似的现象,其同名相似准则必相等。（证明见P.182）一、相似的概念2、相似准则数与准则间的关系（1）对流换热常用准则——努谢尔特准则——雷诺准则——普朗特准则葛拉晓夫准则（注意与Bi的区别）（未定准则）（2）对流换热常用准则的物理意义①努谢尔特准则Nu（未定准则）也可看作壁面处的温度变化率与沿特征尺寸l的平均温度变化率之比（又称无量纲温度梯度）。壁面处的温度梯度↑→h↑→对流换热越强烈。Nu

反映对流换热强弱。由Re↑→惯性力↑→流体运动激烈程度↑→换热强度↑

Re反映流体运动状态对换热的影响。②雷诺准则Re③普朗特准则Pr运动粘度与导温系数的比值。Pr

反映物性对换热的影响。惯性力与摩擦阻力之比④格拉晓夫准则Gr——容积膨胀系数（1/K）表示浮升力与粘性力的相对大小。Gr↑→浮升力↑→粘性力↓→自然对流换热↑Gr

反映流体自然对流换热的强弱。——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。3、判别相似的条件（3）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。函数形式一般表示为：或（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紊流受迫对流换热：层流受迫对流换热：不考虑升浮力影响时为：自然对流换热：对于气体，Pr

可看作常数。C、m、n、s均由实验整理确定，具体过程参见P.184。利用实验研究确定准则间的函数关系时，常经验地取对流换热准则方程式为指数函数的形式。10-4单相流体强迫对流换热的准则方程一、管内强迫流动换热[包括非圆管(槽)道]1.流动和换热特征①流动特征i）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。Re<2300：层流2300<Re<104：过渡流Re>104：紊流对管内流动:ii）流动状态判据——Reiii）入口段长度层流：紊流：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：层流hx

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Δt（1）常热流边界条件（）定型段流体与管壁温度均呈线性变化。（2）常壁温条件（tw=const）管内流体温度呈对数规律变化，全管长流体与壁面间的平均温差

为对数平均温差（推导详见第12章）

：

3.管内强迫对流换热准则方程（非唯一）（1）湍流强迫对流换热——算术平均温差时，可用算术平均温差。①边界层内温度分布（热流方向）的影响对液体：t↑→η↓，故加热液体时：靠壁处η↓，u↑→h↑冷却液体时：靠壁处η↑，u↓→h↓对气体：t↑→η↑，故加热时：靠壁处η↑，u↓→h↓（与液体相反）。该影响用温度修正系数ct

修正。见公式（10.17b）影响管内受迫流动换热的几个因素及修正系数：②短管（入口效应）的影响指入口段的流动和换热情况对h的影响。入口段h较大，且不稳定，修正系数可从图10.15中查得。或