《对流换热原理》课件

对流换热原理对流换热是一种常见的传热方式,通过流体的流动来传输热量。本节课将深入探讨对流换热的基本原理和规律,帮助您更好地理解这一热传递机制。对流换热的概念热量传递的机制对流换热是指通过流体（液体或气体）的运动来实现热量的传递。这种方式是热量传递最常见和最重要的形式之一。与其他换热方式的区别对流换热有别于热传导和辐射换热,它包含了流体的流动和物质的运动过程。这使得对流换热的机理更为复杂,但传热效率也更高。对流换热的分类根据流体运动的方式,对流换热可分为自然对流和强制对流两种。这两种机制各有独特的物理特点和工程应用。对流换热的分类自然对流由温度差引起的密度差而产生的流动对流换热现象。强制对流通过外部施加的压力差或泵送等方式产生的流动对流换热现象。混合对流既有自然对流驱动也有强制对流驱动的混合换热过程。沸腾与凝结对流相变过程中的相界面换热属于特殊类型的对流换热。自然对流自然对流是在温度梯度作用下引起的流体的流动,不需要外部力的作用。当温度差在重力作用下形成浮力差时,温度较高的流体上升,温度较低的流体下降,从而形成自然对流循环。自然对流在工程应用中普遍存在,如太阳能集热系统、建筑物采光和散热等。自然对流的物理机制1温度差引起温度差导致流体密度差异2浮力作用较轻流体上浮带动流动3巴罗米特负压压力差引发自然对流循环自然对流的物理机制是基于温度差引起的流体密度差异。温度高的流体密度低,在重力作用下产生浮力,较轻的流体上浮带动整个流体循环运动。同时温度差还会造成压力差,形成巴罗米特负压效应,进一步推动自然对流的产生。自然对流的传热系数10-1000W/(m²·K)自然对流传热系数的典型范围0.001-0.1m自然对流换热时的边界层厚度10-100℃自然对流换热时的温度差自然对流换热的传热系数主要取决于温度差和流体特性。它通常在10-1000W/(m²·K)之间,边界层厚度为0.001-0.1m,温度差为10-100℃。换热效率较低,但应用广泛,如建筑物供暖、太阳能热利用等。强制对流强制对流是指通过外加的机械力作用造成流体在物体表面或管道内运动,从而促进对流传热过程的一种换热方式。与自然对流相比,强制对流可以显著提高传热效率。强制对流广泛应用于各种工程领域,如涡轮发动机、冷却系统、散热器等,是非常重要的换热方式之一。强制对流的物理机制1流体流动通过外部作用力驱动流体流动2边界层薄膜流体与固体表面形成边界层3温度梯度边界层内存在温度梯度4对流换热温度梯度导致热量从高温向低温传递强制对流换热是通过外部装置如风扇或泵强制驱动流体流动,使流体与物体表面产生边界层,从而形成温度梯度,导致热量从高温向低温传递的过程。这种方式可以显著提高换热效率,广泛应用于工业生产中。强制对流的传热系数主要影响因素流体流速、流体性质、表面形状等计算公式Nu=C(Re)^m(Pr)^nNu无量纲的努塞尔数,表示对流传热强度Re无量纲的雷诺数,表示流体运动状态Pr无量纲的普朗特数,表示流体热传导性能C,m,n与流动形式和几何形状有关的实验常数对流换热的边界层理论1边界层概念边界层是流体与固体表面之间的一个过渡层,在这里流体的速度和温度发生迅速变化。2边界层流动类型边界层流动分为层流和湍流两种,这决定了流体的流动状态和传热方式。3边界层换热机制边界层内流体的流动和温度梯度变化决定了对流换热的强弱程度。4边界层理论应用边界层理论为计算对流换热系数提供了重要依据,是对流换热分析的基础。边界层流动类型层流边界层流动平稳、有序,流线型排列,具有很高的层流稳定性。湍流边界层流动紊乱,出现大小漩涡,热量和动量传递强烈,具有较高的传热和阻力特性。过渡流动由层流过渡到湍流,是一个复杂的过程,受诸多因素影响。边界层换热方程边界层流动分析基于流体边界层理论,可以对对流换热过程进行分析,建立相应的换热方程。动量边界层方程描述边界层内流体流动的微分方程,包括连续性方程、动量方程和能量方程。能量边界层方程描述边界层内温度分布的微分方程,可用于计算对流换热过程中的热传递。边界层换热问题的求解1边界层方程组求解通过数值计算解决边界层方程组,确定流动和温度场的分布。利用相似解法可简化计算。2逐步逼近法将问题分步求解,先求出流速分布,再计算温度分布,利用迭代方法逐步逼近精确解。3试探法采用合理的试探函数,将问题转化为线性方程组,通过求解获得近似解。管内流动的边界层理论边界层形成当流体沿管壁流动时,由于管壁的粘滞作用,流体与管壁之间会形成一层边界层。管内边界层的产生与发展,对流动阻力和传热性能有重要影响。边界层厚度边界层厚度随流动位置的增加而不断增大。对于管内流动,在进口处边界层很薄,随着流程的发展逐步增厚直至达到稳定状态。边界层类型管内流动的边界层可分为层流边界层和湍流边界层两种。边界层类型的转变取决于流动条件,如雷诺数等。边界层影响管内边界层的发展直接影响流体阻力和传热性能。合理控制边界层,可以降低阻力并提高传热效率。管内强制对流换热系数管内强制对流换热系数主要取决于流体性质和流动状态。一般而言，流体的密度、粘度、导热系数等物理性质越好，传热系数越高。同时，湍流状态下的传热系数也明显高于层流状态。湍流边界层换热1复杂流动湍流边界层中存在复杂的流动模式2扰动传播湍流扰动快速传播,提高传热效率3温度波动温度在湍流边界层内产生强烈波动相比于层流边界层,湍流边界层内的流动更加复杂多变。湍流中的扰动能快速在边界层内传播,提高了对流换热的传热效率。同时,湍流边界层内温度也会产生强烈的波动,进一步改善了对流换热的性能。湍流边界层传热量公式湍流边界层传热过程复杂,需要依靠实验数据来确定传热系数。常用的湍流边界层传热量公式包括努塞尔特公式和普兰特朗公式。这些公式可以准确预测管道、平板等物体表面的湍流边界层传热量,广泛应用于工程实践中。自然对流边界层换热自然对流边界层流动在自然对流条件下,固体表面与流体间产生温差,会在表面形成一层边界层,其中流体会受浮力作用而产生自然对流流动。温度分布特点在自然对流边界层内,温度会随距离表面的距离而逐渐降低,形成一个温度边界层。换热系数计算自然对流边界层换热系数可通过无量纲参数如格拉斯霍夫数、普朗特数等进行计算和预测。自然对流边界层传热量公式自然对流边界层传热量可以通过牛顿冷却定律计算得到:热流密度:q=h(Ts-T∞)传热系数:h=f(Gr,Pr)无量纲参数:Gr=重力浮力/黏性力^2Pr=动力粘性系数/热扩散系数通过实验或理论推导,可以得到不同几何条件下的h值表达式,从而计算出自然对流传热量。自然对流换热实例分析房间换热在一间有窗户的房间内,阳光照射使墙壁变热。窗户和墙壁之间就会形成自然对流,热空气上升,带走热量,从而使房间温度降低。水罐加热将装有水的罐子加热,水温升高后,水面附近的水变轻,产生自然对流。热量从罐底传导至水面,再通过对流传播至整个水体。电热水器电热水器内部的水受加热元件的加热,水温升高后,水面附近的热水上升,带走热量,从而形成自然对流换热循环。汽车散热器汽车发动机产生大量热量,散热器利用自然对流带走热量。发动机舱内的热空气上升,带动周围空气流动,从而实现散热。强制对流换热实例分析空调制冷系统室内空调机通过电机驱动风机,产生强制气流,带走室内热量并传递到室外机进行散热。汽车发动机发动机活塞运动产生热量,通过水泵强制循环冷却水,将热量带走并传递到散热器进行辐射散热。涡轮机叶片发电厂涡轮机高速旋转的叶片与通过的空气产生强制对流,带走涡轮机内部的大量热量。对流传热系数测定方法1实验测量法通过实验直接测量受热表面和流体之间的温差以及热流密度,计算出对流传热系数。2热流计法利用已知热流密度和温差,按换热公式计算出对流传热系数。3能量平衡法通过测量系统的输入功率和温度变化,根据能量平衡方程求得对流传热系数。4积分边界层法利用边界层理论,通过测量速度分布和温度分布计算对流传热系数。自然对流传热系数测定方法加热板法在一个恒定温度的加热平面上放置试件,通过测量温度差和热流量来计算传热系数。冷却室法将试件置于恒温室内,通过测量试件表面温度和周围环境温度来确定传热系数。热线法利用细热电偶或热线传感器测量温度梯度,从而推算出自然对流传热系数。强制对流传热系数测定方法风洞试验在风洞中通过控制气流速度和温度,测量物体表面温度变化,从而计算出强制对流传热系数。这种方法能精确模拟实际工作条件。管路试验法在管路中测量流体进出口温度差和流量,结合管壁温度即可得出管内强制对流传热系数。适用于管道传热过程的研究。热电偶测量法利用热电偶精确测量物体表面和流体温度,再结合流体流速等参数计算出强制对流传热系数。操作简单,适合实验室研究。对流换热应用举例建筑物内部空调系统利用强制对流,使室内空气更加流通并达到理想温度湿度。如中央空调系统、风机盘管等广泛应用。工业生产过程许多工厂生产中需要通过强制对流来调节温度,如金属冶炼、玻璃制造、电子电器生产等。汽车散热系统汽车引擎产生大量热量,需要通过水泵带动的强制对流散热来保证发动机安全稳定工作。电子设备散热高功率电子设备如CPU、显卡等,需要通过强制对流散热器或风扇来维持正常工作温度。影响对流换热的重要参数1流体流向与速度流体的流向和速度是影响对流换热的关键因素，确定了传热过程的强弱。2物理性质流体的密度、粘度、导热系数等物理特性也会极大影响对流换热。3边界条件固体表面温度、流体入口温度等边界条件的设置对对流换热很重要。4几何因素物体形状、尺寸、表面粗糙度等几何参数也会影响对流传热。对流换热的热传导学分析1传热通路分析对流换热过程中，热量通过导热、对流和辐射三种方式进行传递。需要分析各种传热方式的相对重要性及其相互关系。2温度梯度分析对流过程中存在复杂的温度分布，需要对流场和温度场进行耦合分析，准确描述温度梯度变化。3边界条件分析对流换热过程中的边界条件非常复杂，需要根据实际情况设定合适的边界条件进行热传导分析。对流换热的流体力学分析1边界层分析研究对流换热过程中流体边界层的流动状态和特性2动量传递分析探讨流体动量在换热界面的传递机制3热量传递分析分析流体热量在换热界面的传递过程对流换热的流体力学分析集中在研究流体边界层的特性、动量传递机制和热量传递过程。通过边界层分析可以了解流体的流动状态,动量传递分析可以揭示流体动量在换热界面的传递规律,热量传递分析则可以阐明热量在换热界面的传递过程。这些分析为对流换热过程的深入理解提供了理论基础。对流换热的工程应用制冷与空调对流换热在制冷和空调系统中发挥关键作用,通过吸收和释放热量实现温度调节。工业生产各种生产工艺都需要对流换热,如冶金、化工、石油等行业中的加热、冷却、蒸发等过程。汽车与航空对流传热在