对流换热一课件

一、对流换热基本理论1、影响h的因素

1）流动的起因和流动状态：自然对流、受迫对流和混合对流；

2）流体的热物理性质：导热系数、密度、比热容等，尤其注意定性温度的选择，不同关联式是不同的；

3）流体的相变：相变时为凝结、沸腾换热；

4）换热表面几何因素：壁面尺寸，形状，流体的位置（外略或内流），尤其注意定型尺寸的选择（对换热有决定意义的特征尺寸）

牛顿型流体：服从定律的流体。

非牛顿型流体：血液、泥浆、油漆等。

一、对流换热基本理论1、影响h的因素1综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：5-1综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：5-12脉络1）对流换热的影响因素对流换热微分程组连续性方程(保证质量守恒)动量方程(保证流体受力符合牛顿第二定律)能量方程(保证流体能量守恒)对流换热过程微分方程(温度场与对流换热表面传热系数的关系)

流体内温度与速度分布导热微分方程

导热物体内温度分布对流换热表面传热系数3）对流换热微分方程组的简化流动边界层速度边界层(定义、特性）温度边界层(定义、特点）边界层内对流换热微分程组某些简单问题的解2）对流换热微分方程组脉络1）对流换热的影响因素对流换热微分程组连续性方程(保证质32、对流换热过程微分方程式

傅里叶定律：

牛顿冷却公式：注意：与第三类边界条件的区别，一类，二类？表面传热系数温度场速度场当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的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（即：y=0,u=0）形成速度变化很大的贴壁流体薄层.2、对流换热过程微分方程式当粘性流体在壁面上43、对流换热微分方程组对象：不可压缩、常物性、牛顿型流体，二维

连续性方程：

u方程：

v方程：

t方程：

非稳态项对流项扩散项源项该方程组可以依靠分析解和数值计算两种方法获得结果，一直到1904年德国科学家普朗特提出了边界层理论，分析解才得以实现。3、对流换热微分方程组该方程组可以依靠分析解和数值计算两种方54、流动边界层

1）边界层厚度处的离壁距离δ

2）边界层内速度梯度边界层区：速度梯度很大，牛顿粘性定律：主流区：速度梯度很小，τ=0。3）边界层内流动状态层流边界层、紊流边界层（层流底层）（理解图5-7）4）流动边界层的特性⑴边界层极薄，其厚度d与壁的定型尺寸l相比极小；⑵在边界层内存在较大的速度梯度；⑶边界层流态分层流与紊流，紊流边界层紧靠壁处仍将是层流，称层流底层；⑷流场可划分为主流区（由理想流体运动微分方程——欧拉方程描述）和边界层区（由粘性流体运动微分方程描述）。4、流动边界层65、热边界层（温度边界层）热边界层厚度：处的离壁距离。热边界层内存在较大的温度梯度，主流区温度梯度为零。对于Pr=1的流体，。5、热边界层（温度边界层）76、边界层微分方程（数量级分析后得到）

连续性方程：

u方程：

t方程：伯努利方程：

对流换热一课件8层流边界层对流换热微分方程组：3个方程、3个未知量：u、v、t，方程封闭如果配上相应的定解条件，则可以求解层流边界层对流换热微分方程组：97、外掠平板层流换热1）速度场边界层厚度：局部摩擦系数：平均摩擦系数：对流换热一课件102）温度场对长度为l的常壁温平板，平均表面传热系数：定性温度：临界Re数：，一般可取：2）温度场118、外掠平板紊流换热局部摩擦系数：局部表面传热系数：适用条件：全板平均表面传热系数适用条件：，定型尺寸：板长l，定性温度：8、外掠平板紊流换热129、动量传递与热量传递的类比1）对于紊流，在，的情况下：（雷诺类比）当时：（柯尔朋类比）

定性温度：，近似适用于Pr=0.5~50。9、动量传递与热量传递的类比13对流换热微分方程组是属于数学上最难求解的方程式。

10、相似理论

1）问题的提出因此许多情况下还是要依靠实验的方法,得出对流换热中表面传热系数的函数关联式。复杂情况：例如是紊流流动，固体边界形状复杂，流体物性变化……，理论分析解不能得出。少数几种可以求解简单情况：小雷诺数层流状态下绕流圆球、层流时横掠平板、层流时流体在管内流动等。对流换热微分方程组是属于数学上最难求解的方程式。10、142）途径---试验便成为解决换热问题重要的手段，然而，经常遇到如下两个问题:(1)变量太多A实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测量）B实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？相似原理将回答上述三个问题物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的同名物理量一一对应成比例。同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。2）途径---试验便成为解决换热问题重要的手段，然而，经常遇153）判别相似的条件（两现象相似判断的条件）１、属于同类现象例如或者都属于自由对流换热，或者都属于强迫对流换热（微分方程形式相同，边界条件相同）。２、单值性条件相似（1）几何条件：是指换热壁面几何形状及尺寸、壁面粗糙度、壁面与流体间的相对几何关系。（2）物理条件：流体种类和物性（流体种类为已定时，物性由温度和压力确定，影响较大者为温度）。（3）边界条件:流场进出口温度、速度、壁温或壁面热流通量，流体在壁面上速度。（4）时间条件

对于非稳态状态，物理量随时间而变化，要考虑物理量随时间变化过程是否相似，若是稳态时不存在时间条件。3、同名的已定准则数对应相等

对于换热现象，按照是否属于同类现象、单值性条件相似、同名的已定准则对应相等这三方面考察它们是否相似。3）判别相似的条件（两现象相似判断的条件）１、属于同类现象２16（1）努谢尔特准则

它等于边界层内无因次过余温度对于无因次坐标的变化率在固体边界面上的值,努谢尔特数的大小反映了对流换热的强弱。4）相似准则（1）努谢尔特准则它等于边界层内无因次过余温度17（2）雷诺准则：它反映了流动时惯性力和粘性力的相对大小，受迫流动时流体状态是由惯性力与粘性力综合作用的结果，所以雷诺数大小实际表示着流体流动状态，换热准则方程式中出现了它是表示流动状态对换热的影响。在其它条件相同时，层流状态下对流换热强度小于紊流，同样紊流，低雷诺数状态下对流换热强度小于高雷诺数的.（2）雷诺准则：它反映了流动时惯性力和粘性力的相对大小，受迫18（3）普朗特准则：

ν、a―流体的运动粘度和热扩散率，单位均为它的作用可以这样看出：空气、水等等流体横掠过平板时，受流体粘性作用，平板表面将形成速度边界层和温度边界层，沿平板长度方向它反映了速度边界层与温度边界层的相对大小,反映了流体动量传递能力和热量传递能力的相对大小。

普朗特数是反映流体物理性质的无因次准则数（3）普朗特准则：ν、a―流体的运动粘度和热扩散率，单位均19（4）格拉晓夫准则：

式中：

—

流体的容积膨胀系数,1/K.理想气体时为1/T,

蒸气、液体时实验测出，查表格.L—壁面定型尺寸,Δt—Δt=tw-tf

ν—运动粘度

自由流动换热时，流体与固体壁面之间存在着温度差别,造成了主流区域与边界层内流体密度差别，形成了边界层内流体运动的浮升力,流体本身的粘性力阻碍了流体运动，格拉晓夫准则的数值反映了浮升力和粘性力的相对大小，它表明了自由流动时流体状态对换热的影响。格拉晓夫准则的数值反映了浮升力和粘性力的相对大小。（4）格拉晓夫准则：式中：—流体的容积膨胀系数,120同理，对于其他情况：自然对流换热：混合对流换热：Nu—待定准则数（含有待求的h）Re，Pr，Gr—已定准则数按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题，注意定性温度和定型尺寸的选取强制对流:同理，对于其他情况：自然对流换热：混合对流换热：Nu—待21典型题分析1、把热水倒入一玻璃杯后，立即用手抚摸玻璃杯的外表面时不感到杯子烫手。但如果用筷子快速搅拌热水，很快就会觉得杯子烫手，试解释这一现象。（西建大2005，6分）

表面传热系数：强制对流>自然对流典型题分析222、的物理意义是什么？式中的是壁面的导热系数还是流体的导热系数？（东华2007，4分）答：为对流换热过程微分方程式，描述了表面传热系数与流体温度场的关系，如果知道壁面某处的温度和温度场，表面传热系数就可以确定了。

λ为流体导热系数2、的物理意义是什么？式中233、一般情况下粘度大的流体其数也越大，有对流换热的实验关联式可知（c、m、n均为常数，通常），越大，也越大，从而表面传热系数h也越大，即粘度大的流体其表面传热系数也越大。这与理论分析和试验结果相矛盾，为什么？（重大2007，10分）

，，，粘度大的流体其表面传热系数h小。3、一般情况下粘度大的流体其数也越大，有对流换热的实244、有一块长为l=2m，厚度为，材料导热系数的平板（假定平板在长度和宽度方向上为无限大），平放在绝热表面上，平板内具有均匀内热源。现有平均温度的11号润滑油以的速度从平板上表面流过，试计算：⑴润滑油和平板上表面之间的平均表面传热系数；⑵距平板上表面处平板内的温度；⑶平板内的最高温度。（重大2004，30分）补充：⑴11号润滑油的物性参数近似选取：，，Pr=723⑵流体外掠平板强制对流换热的实验关联式：

4、有一块长为l=2m，厚度为25解：⑴，为层流

⑵平板内导热微分方程：边界条件：解得：距平板上表面处平板内的温度：