第五章对流传热原理-传热学-教学课件

第五章对流传热原理1§5-1对流换热及其数学描述一、对流换热概述1)对流换热对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式对流换热实例：1)暖气管道；2)电子器件冷却2二、对流换热的影响因素及对流换热的分类对流换热：导热+热对流影响因素：流动起因、流动状态、流体有无相变、换热表面的几何因素、流体的热物理性质等对流换热的分类：1)流动起因：自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动(Freeconvection)强制对流：由外力(如：泵、风机、水压头)作用所产生的流动(Forcedconvection)5层流：整个流场呈一簇互相平行的流线2)流动状态：湍流：流体质点做复杂无规则的运动(紊流)(LaminarFlow)(TurbulentFlow)湍流流动极为普遍自然现象：收获季节的麦浪滚滚，旗帜在风中轻轻飘扬，都是由空气的紊流引起的6紊流的运动服从某种统计规律，而不是杂乱无章香烟的烟在静止的空气中上升，可以看到从层流到紊流的转化。

紊流会消耗能量同摩擦力消耗能量一样

没有紊流的世界是不可想象的如果没有紊流，把酱油到进汤里，花半小时酱油才能和汤混合，用汤匙一搅，依靠紊流几秒钟它们就混合在一起了。如果没有紊流的掺混，烟囱浓烟中的有害物质将长期积聚，危害人类环境。3)流体有无相变：单相换热；相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等

7内部流动对流换热：管内或槽内4)换热表面的几何因素：外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束5)流体的热物理性质：热导率比热容运动粘度密度动力粘度体胀系数8(流体内部和流体与壁面间导热热阻小)(单位体积流体能携带更多能量)(有碍流体流动、不利于热对流)自然对流换热增强综上所述：表面传热系数是众多因素的函数：9确定对流传热系数h的函数关系式途径：一、理论法建立基础：边界层对流传热微分方程组通过数学分析解法，积分近似解法，数值解法和比拟解法求解对流传热系数h二、实验法建立基础：边界层对流传热微分方程组无量纲化或者对流传热系数h函数关系式进行量纲化分析，得出有关的相似特征数在相似原理指导下，建立实验台和整理实验数据，求得各特征数间的函数关系将函数关系推广到与实验现象相似的现象中去10由于上述分析可知：理论法、实验法建立基础：边界层对流传热微分方程组了解边界层对流传热微分方程组，首先需要阐述边界层概念本章介绍边界层和热边界层的概念在边界层理论指导下，推导出对流传热微分方程组115－2流动边界层和热边界层边界层概念（Boundarylayer）当粘性流体流过物体誊画时，会形成速度梯度很太的流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层）1904年，德国科学家普朗特L.Prandtl一、流动边界层（Velocityboundarylayer）由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。12从y=0、u=0开始，u随着y方向离壁面距离的增加而迅速增大；经过厚度δ为的薄层，u接近主流速度u∞y=δ薄层——流动边界层或速度边界层δ——边界层厚度定义：处离壁的距离为边界层厚度δ小：空气外掠平板，边界层内：平均速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大13由牛顿粘性定律：速度梯度大，粘滞应力大边界层外：u∞在y方向不变化，粘滞应力为零——主流区流场可以划分为两个区：边界层区与主流区边界层区：流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运动微分方程组描述(N-S方程)主流区：速度梯度为0，；可视为无粘性理想流体；欧拉方程——边界层概念的基本思想14流体外掠平板时的流动边界层临界距离：由层流边界层开始向湍流边界层过渡的距离,xc粘性底层(层流底层)：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，便粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度临界雷诺数：Rec平板：；取湍流边界层：缓冲区：紊流核心15流动边界层的几个重要特征（1）边界层厚度与壁的定型尺寸L相比极小，(2)边界层内存在较大的速度梯度(3)边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处仍有层流特征，粘性底层(层流底层)（4)流场可以划分为边界层区与主流区边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述主流区：由理想流体运动微分方程一欧拉方程描述边界层理论的基本论点边界层概念也可以用于分析其他情况下的流动和换热：如：流体在管内受迫流动、流体外掠圆管流动、流体在竖直壁面上的自然对流等16二、热边界层(Thermalboundarylayer)当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边界层(热边界层)厚度范围——热边界层或温度边界层——热边界层厚度与不一定相等流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布17层流：温度呈抛物线分布湍流：温度呈幂函数分布湍流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流故：湍流换热比层流换热强！与的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量和热量扩散的深度(层流、)18当壁面温度等于流体温度时，流体沿壁面流动时只存在流动边界层，而不存在热边界层。流动边界层厚度反映流体分子动量扩散能力，与运动粘度有关；而热边界层厚度反映流体分子热量扩散的能力，与热扩散率有关。因此，即与无量纲物性值普朗特数有关。当的流体纵掠平壁面时，对于层流边界层，由边界层积分方程分析解可得之间的关系：195－3边界层对流传热微分方程组数学分析手段建立的基础都是边界层对流传热微分方程组。包括：1）描述对流传热系数本质的对流传热微分方程；2）描述流体流动状态的连续性微分方程和动量微分方程3）描述流体中温度场的能量微分方程主要分析：常物性、流速不太高、无内热源的不可压牛顿型流体的二维稳态对流传热。201)连续性方程流体的连续流动遵循质量守恒规律从流场中(x,y)处取出边长为dx、dy的微元体M为质量流量[kg/s]——单位时间内、沿x轴方向、经x表面流入微元体的质量单位时间内、沿x轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：21单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：22单位时间内x轴方向净质量：单位时间内y轴方向净质量：单位时间内微元体内流体质量的变化：微元体内流体质量守恒：单位时间内流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化23二维连续性方程三维连续性方程对于二维、稳态、密度为常数时：242）动量微分方程动量微分方程式描述流体速度场----动量守恒牛顿第二运动定律：作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率。作用力=质量*加速度作用力：体积力、表面力体积力：重力、离心力、电磁力表面力：粘性引起的切向应力和法向应力、压力等法向应力a中包括了压力p和法向粘性应力。压力p和法向粘性应力的区别a)无论流体流动与否，p都存在；而法向粘性应力只存在于流动时b)同一点处各方向的p都相同；而法向粘性应力与表面方向有关25动量微分方程——Navier-Stokes方程(N-S方程)(1)(2)(3)(4)(1)——惯性项(ma);(2)——体积力;(3)——压强梯度;(4)——粘滞力对于稳态流动：只有重力场时：263)能量微分方程能量微分方程式描述流体温度场——能量守恒微元体的能量守恒：[导入与导出的净热量]+[热对流传递的净热量]+[内热源发热量]=[总能量的增量]+[对外作膨胀功](1)压力作的功：a)变形功；b)推动功(2)表面应力(法向+切向)作的功：a)动能;b)27(1)压力作的功：a)变形功；b)推动功(2)表面应力(法向+切向)作的功：a)动能;b)一般可忽略耗散热假设：(1)流体的热物理性均为常值(2)流体不可压缩变形功=0(3)一般工程问题流速低(4)无化学反应等内热源28耗散热()：由表面粘性应力产生的摩擦力而转变成的热量微元体的能量守恒：单位时间内、沿x轴方向导入与导出微元体的净热量：单位时间内、沿y轴方向导入与导出微元体的净热量：29微元体的能量守恒：单位时间内、微元体内焓的增量：30微元体的能量守恒：31能量微分方程式(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)柱坐标下的能量微分方程式(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)32对流换热微分方程式(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)334个方程，4个未知量——可求得速度场和温度场既适用于层流，也适用于紊流(瞬时值)说明：(1)若有内热源，强度为则只在上式右边加上(2)热量传递有对流项和扩散项(导热传热)(3)当u=v=O时，能量方程为导热方程。34表面传热系数的确定方法355－4相似原理简介简单介绍相似原理实验研究是传热学研究中的主要和可靠手段；尤其是复杂的传热学问题尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值模拟和数学模型正确与否的唯一方法问题：如何进行实验研究？表面传热系数是众多因素的函数：有些影响因素相互制约和影响(如：温度与热物性)；如果采取逐个研究各变量的影响，实验工作量极为庞大、也极难进------相似理论指导下的实验研究36只有属于同一类型的物理现象才有相似的可能性，也才能谈相似问题。同类现象：用相同形式和内容的微分方程式(控制方程+单值性条件方程)所描述的现象电场与温度场：微分方程相同；内容不同强制对流换热与自然对流换热：微分方程的形式和内容都有差异外掠平板和外掠圆管：控制方程相同；单值性条件不同物理相似：影响物理现象的所有物理量分别相似的总和就构成了物理相似1)必须是同类现象才有可能相似；。2)由于描述现象的微分方程式的制约，物理量坜的相似倍数间有特定的制约关系。3)注意物理量的时间性和空间性37二、相似原理在实物或模型上进行对流换热实验研究时，因变量太多，会遇到三个问题：(1)实验中应测哪些量(是否所有的物理量都测)(2)实验数据如何整理(整理成什么样函数关系)(3)实验结果如何推广运用于实际现象相似原理将回答上述三个问题相似原理：相似的性质、相似准则间的关系、判别相似的条件381）相似性质与相似特征数相似性质：彼此相似的现象，它们的同名相似特征数相等。相似现象必为同类现象(用相同形式和内容的微分方程式所描述的现象)相似的定义：描述相似现象的方程组是相同的39Nu、Re、Pr、Eu——相似准则(无量纲)它们对于两个现象是否对应相等是判断这两个现象是否相似的必要条件——相似特征数(相似准则)以杰出科学家的名字命名——努谢尔特数(Nusslet)——雷诺数(Reynolds)——普朗特数(Prandtl)——欧拉数(Euler)——贝克利数(Peclet)403）辨别相似的条件凡同类现象、单值性条件相似、同名已定特征数相等，那么现象必定相似。单值性条件：几何条件、物理条件、时间条件、边界条件综上所述，相似原理圆满地回答了实验研究中会遇到的。三个问题：。(1)实验时，应测量各特征数中包含韵全部物理量；物性参数值由实验系统中的定性温度及压力确定(2)实验结果整理成特征数关联式(3)实验结果可以推广应用到相似的现象41三、模型实验和实验数据的方法利用实验模型来模拟原型中的实际对流换热过程是解决复杂对流换热问题的重要方法。1）模型实验应遵循的原则(1)模型与原型中的对流换热过程必须相似；要满足上述判别相似的条件(2)实验时改变条件，测量与现象有关的、相似特征数中所包含的全部物理量，因而可以得到几组有关的相似特征数(3)利用这几组有关的相似特征数，经过综合得到特征数问的函数关联式。422）定性温度、特征长度和特征速度（1）定性温度：相似特征数中所包含的物性参数，如：等