传热学教学课件：heat transfer lecture(convection)2.3

第十一讲

3.对流传热(convectionheattransfer)h?几何因素物理性质流体流动相变热TsTsT造成传热的本质是什么？怎么处理？u3.1.有关流体运动的基本知识3.1.1.黏切应力(viscousshearstress)yx运动黏度(kinematicviscosity),m2.s-1与压力同量纲牛顿流体动力黏度（dynamicviscosity)，Pa.s即N.m-2.s希腊字母nju3.1.3.伯努里方程(Bernoulliequation）P,压力(N.m-2)ρ

密度(kg.m-3)u,速度(m.s-1)3.1.2.牛顿第二定律(Newtonsecondlaw)gc,1kg.m.N-1.s-2(非压缩性流体,

流线方向）F,N或3.2.平板上流体的流动与对流传热3.2.1平板上流体流动状态的变化层流(laminar)湍流(turbulent)过渡流(transition)湍流雷诺数(Reynoldsnumber)x3.2.2平板上流体流动边界层和热边界层自由流体速度0.99自由流体温度TsTu流动边界层(hydrodynamicboundarylayer)热边界层(thermalboundarylayer)表征流速梯度、质量和动量传递表征温度梯度、热传递Whatarelationship？3.2.3平板上层流的边界层理论解析udxdyyx

基本守恒方程式Massbalance

英文字母vudxdyxMomentumbalance

上方流出动量右侧流出动量上方流入动量左侧流入动量质量守恒动量守恒能量守恒δ的求解uyxdx12AAMass1-A2-A1-20A-A0Momentum（xdirection)边界条件由动量守恒(由u和v的关系式得到）设牛顿第二定律的简单表达式（近似解法）y/δu/u

书上公式p212yx

热边界层dxTsBoundaryconditions能量平衡方程(energybalanceequation)温度分布(temp.distribution)代入流动面全部传热条件下平板层流对流传热系数的理论关系式Prandtlnumber物理意义动量扩散与热扩散之比努塞尔数(Nusseltnumber)3.2.4

恒温平板上层流对流传热的无量纲数关系式解析式：普朗特(Prandtl)数雷诺数著名层流无量纲数理论关系式！第十二讲无量纲表面温度梯度努塞尔数(Nusseltnumber)的物理意义

Tyflow

流体的对流导热与流体导热之比

长度为l的平板上平均对流传热系数Conditions:isothermalsurface;0.6<Pr<50金属液体重油等不适合3.3研究对流传热系数的基本方法3.3.1数学方程求解法3.3.2相似理论(similarity)与实验经验式3.3.3比拟方法（analogy)对于相似的物理现象，尽管个别的物理参数不同，但无量纲数之间存在相同的关系。相似理论要点一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包括n-r个独立的无量纲物理量群之间的关系式。r是方程式中涉及基本的量纲数目。可以描述成相似理论的意义

平板层流，等热流条件，区别于等温条件

ConstantheatfluxonwallsurfaceChurchill等由实验数据关联得到的平板流动传热关系式当(等温墙面)3.4其他条件的关系式（供参考、理解）局部阻力系数无量纲表面黏切应力局部表面应切力精确解近似阻力系数的概念3.5.用比拟方法求平板上动量与热传递关系3.5.1平板层流热传递与流动阻力系数关系当Pr=1时，由平均切应力此式为解析法求得结果表达热传递与流体阻力系数之间的关系平均阻力系数例题空气(27°C,1atm)以2m.s-1的速度流过一平板，平板温度处于60°C的恒温状态，z方向为单位长度,计算

(1）由平板起始边开始x=20cm和x=40cm处的流动边界层厚度;(2)在上述两点的对流传热系数。空气的物理性质取43.5°C时的数据：运动黏度=17.3610-6m2.s-1,

λ=0.02749W.m-1.K-1,cp=1.006kJ.kg-1.K-1.xyLIncompressibleflow,ignorant3.5.2用比拟方法求平板层流热传递与流动阻力系数关系第十三讲导热项黏切力引起的热传递项

<<1令AnalogyxyL与解析法求得结果相同雷诺比拟更一般的平板层流传热与流动阻力之间的关系引进新Stanton数（斯坦顿数）雷诺比拟只适合Pr=1时的平板上层流热传递当Pr不一定等于1时，称Chilton-Colburn比拟3.6.平板上湍流的热传递与流体阻力的关系传热主要机理：湍流团(turbulentlump）流动的宏观传热引进湍流动量扩散率湍流热扩散率u层流湍流能量守恒定律动量守恒定律对于强湍流传热，认为利用动量方程和能量方程的形式与层流是完全相同，用比拟方法可以得到湍流传热与其传热阻力的比拟关系式湍流时传热与流动阻力的关系采用契尔顿比拟根据湍流的动量和能量方程的比拟性质平均流动阻力与平均斯坦顿数之间平均流动阻力可通过实验测定切应力得知无论Re的范围，都适用实验验证湍流传热系数的计算关系式湍流边界层厚度例如当从计算平板上流体流动形态层流(laminar)湍流(turbulent)过渡流(transition)x边界层厚度和对流传热系数如何随x变化？传热系数的平均值？对于全平板从层流到湍流的全体传热的平均传热系数平板上流体流动传热总结

P220P217,公式错误例题1空气(20°C,1atm)以35m.s-1的速度流过一平板，平板温度处于60°C的恒温状态，z方向为单位长度,计算：（1）开始发生湍流的距离xc及至此点的平均传热系数；（2）平板起始边开始至L=75cm处的平均对流传热系数及热流量作业

5-13，5-19Example2:Engineoilat20°Cisforcedovera20-cm-squareplateatavelocityof1.2m/s.Theplateisheatedtoauniformtemperatureof60°C.Calculatetheheatbytheplate.(Atthefilmaveragetemperatureof40°C,thepropertiesofoilare:density,876kg/m3;kinematicviscosity,0.00024m2/s;heatconductivity,0.144W/(m.°C),specificheatcapacity,1965.7J/(kg.°C)3.7.管内强制流动的对流传热3.7.1管道中流体流动状态与流速分布层流湍流湍流dum平均流速入口区发达区x1入口区发达区第十四讲发达区开始点r0在发达区X方向动量变化为零发达区层流的流速分布dxrTcuccenterdrdxrTcuccenterdrAnnularelement代入速度分布式

neglectingsecond-orderdifferentials3.7.2管内发达区层流传热Tc为中心温度Constantheatflux式中Tw，管壁温度Tb，主体温度速度分布式温度分布式p250由对于管道表面为常温条件入口段传热系数（Ts=const条件）对应平均温度对应管壁温度3.7.3管内湍流传热由比拟方法可以得到（略）修正关系式其中，流体加热,n=0.4；

流体冷却，

n=0.3适合发达区管壁与流体温度相差不很大时适用，用流体进出口平均温度计算参数以上除μs用壁温计算外，其他参数都用Tb计算参数管壁与流体温差较大时，考虑流体性质变化在进口不发达区适合发达区3.7.4非圆筒体管道对流传热例ababb/a13流体通过横截面面积相应横截面周长2.983.392.47(Ts恒定）发达层流湍流时圆筒体关系式适用（平均传热系数）3.8.不同几何形状外部强制流动对流传热3.8.1通过单管横流传热umθd工程上求平均传热关联式C,n随Red

而变P258定性温度为管子和流体的平均温度3.8.2通过管束横流传热平行排列(aligned)错位排列(staggered)uStd注意

Re的计算（最大流速);参数对应温度；排管数量umaxSdSlor当Zhukauskas关联式CmalignedstaggeredCm10~102102~103103~2×1052×105~2×1060.800.400.900.400.270.630.0210.840.0220.0840.35(St/Sl)1/50.600.400.60可近似用单管计算有几个关联式，其中定性温度为进口和出口平均温度计算（Prs除外,用壁温计算）管束在20根以上例题质量流速为0.050kg.s-1的热空气流过直径为0.15m的金属导管。热空气进入导管温度为103°C,在进入5m处，冷却至77°C。导管与外部空间（温度为0°C）的对流传热系数为6W.m-2.K-1。计算（1）通过5m长导管的热损失；（2）在5m处的热流密度及导管表面温度（导管厚度及内外表面温差可忽略）。管内空气平均温度为90°C，在90°C下的空气性质：Cp=1010J.Kg-1.K-1,思考题设一太阳光聚焦热水器，如图所示，太阳光光线由抛物线镜面聚焦射入加热管，太阳光对管道的热流密度为qs=2000W.m-2,加热管管径为0.06m,管内通入质量流量为0.01kg.s-1，温度20°C的水，问：通过多少管长(L)后，水温达到80°C;在L处的管壁温度。Sunray水性质（平均温度50°C时）：热容量4181J.kg-1.K-1，热传导系数0.670W.m-1.K-1,动力黏度3.52×10-4N.s.m-2作业：5-19，6-123.9自然对流传热（naturalconvection)Twu层流湍流xy体积膨胀系数浮力项对于理想气体，3.9.1竖加热平板的自然对流传热L第十五讲3.9.2量纲分析法BKg.m-2.s-2xmKg.m-3Kg.m-1.s-1J.kg-1.K-1J.s-1.m-1.K-1J.s-1.m-2.K-1hL4个独立变量LM7-4=3个因变量一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包括n-r个独立的无量纲物理量群之间的关系式。r是方程式中涉及基本的量纲数目。本例中7变量，4个基本量纲，所以可以表示成三个无量纲数群关系量纲分析的定律Nux=f(Pr,Grx)无量纲数的构筑III=?物理意义：表征浮力与粘力之比与Rex类似,可以用来判别自然对流从层流到湍流临界区域实验关联式层流过渡湍流Cn0.591/40.02920.390.111/3定性温度3.9.3竖平板、竖圆柱体传热计算式壁温恒定时C，n参数见p269格拉晓夫(Grashofnumber)竖平板x方向距离恒热流量时层流湍流ModifiedGrashofnumber温度需要先假设，根据平均温度求参数，再求温度，看与假设是否一致，循环计算直至一致竖圆柱体见p269竖平板P275例题要用此公式，书上无说明3.9.4水平板情况RayleighNumber定性温度：园柱体RadCn10-10—10-20.6750.05810-2—10210-2—104104—107107—10121.020.1480.8500.1880.4800.2500.1250.333ByMorgan球ByChurchill或者3.9.5.有限空间LThTcHLWThTc自然对流纯导热流体流动方向的空间距离定性温度例题一烘箱的顶部尺寸为0.6×0.6m,顶面温度为70°C,求顶部散热量。环境温度为27°C。思考：为减少热损失及安全起见，在顶部加上一层密封空气夹层，夹层厚50mm,假设原烘箱顶面温度仍为70°C，计算加夹层后的热损失。例题1室温为１０摄氏度的空间有一烟筒，垂直部分高１．５ｍ，水平部分长１５cｍ，烟筒平均壁温为１１０摄氏度，考虑自然对流计算每小时散热量。例题２一块宽０．１ｍ，高０．１８ｍ的竖直平板至于２０摄氏度的空间中，平板通电加热，功率１００Ｗ，试确定平板最好温度（设辐射可以忽略）。Ｐ２７５恒温自然对流问题恒热流量自然对流问题自学

4.相变对流传热（HeattransferwithaFluidPhaseChange)4.1.表面冷凝传热（Surfacecondensation)薄膜冷凝(filmcondensation)滴状冷凝(dropwise)传热系数哪个大？vaporlaminarwavyturbulent第十六讲4.1.1垂直板上层流薄膜冷凝TwVaporxdxyy边界条件y=0,u=0单位深度假设在气体与冷凝液边界上的黏切应力可以忽略质量流量x至x+dx间的冷凝液增量（边界层增厚）Hg,气体冷凝潜热假设温度为直线分布，气液界面无温（Tg=Tsat)边界条件x=0,忽略显热积分得考虑到温度的非线性等因素，Nusselt等人对关系式作了改进Jokobnumber显热与潜热之比薄膜液比热容可以忽略参数对应平均温度平板及圆筒体都适用（Ja<0.1,1<Pr<100)4.1.2垂直板上波动及湍流传热当平板很大时，湍流可能出现在液流薄膜上，导致传热增强ReynoldsNumber薄膜液平均流速等效直径dP301800层流波动流湍流Re波动流简单校正（+20%）Chen（1987）从波动流到对流Whatunit?参数都以液膜计算根据Re判别4.1.3水平板上层流传热spharecylinderdd湍流情况很少介绍，一般因高度不大，以层流计算？4.2.沸腾传热（boilingheattransfer)4.2.1.大容器沸腾（poolboiling)1101001000自然对流气泡状态过渡状态稳定膜状态103104105106107530不同沸腾模式qs(W.m-2)Nukiyamaexperiment1101001000103104105106107qs(W.m-2)AE功率一定导线温度由电阻测定气泡状沸腾临界点温差达到临界点后，温度迅速上升！工业应用范围：气泡状较