对流换热课件

对流换热

5-1对流换热概说

对流换热以牛顿冷却公式为基础，公式的具体形式为：（5-1a）对于面积为A的接触面，换热量为：(5-1b)

影响对流换热的因素归纳起来可以分为以下五个方面。

(1)流体流动的起因强制对流换热与自然对流换热。

(2)流体有无相变有相变的换热过程中，相变热(潜热)起主要作用。(3)流体的流动状态层流及湍流。(4)换热表面的几何因素图5-la所示的管内强制对流流动与流体横掠圆管的强制对流流动与图5-lb所示的水平壁，热面朝上散热的流动与热面朝下散热的流动就截然不同。

（5-2）图5-2给出了目前常见的对流换热的分类方法。(5)流体的物理性质流体的热物理性质对于对流换热有很大的影响。表征对流换热强弱的表面传热系数取决于多种因素。把高速流动排除在外，单相强制对流换热表面传热系数可表示为：

研究对流换热的方法大致有以下四种:(1)分析法；(2)实验法；(3)比拟法；(4)数值法。分析法：主要是指对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。通过实验获得的表面传热系数的计算式仍是目前工程设计的主要依据。为了减少实验次数、提高实验测定结果的通用性，传热学的实验测定应当在相似原理指导下进行。比拟法：是指通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表面传热系数与阻力系数间的相互关系的方法。对流换热的数值求解方法:对对流换热进行离散求解的一种方法。难点：对流项的离散及动量方程中的压力梯度项的数值处理。

在贴壁处流体没有相对于壁面的流动，在流体力学中称为贴壁处的无滑移边界条件。图5-3示意性地表示了这种近壁面处流速的变化。贴壁流体层的导热量按照傅里叶定律可得（5-3）将牛顿冷却公式(5-la)与上式联立，即得以下关系式:（5-4）它把对流换热表面传热系数与流体的温度场联系起来，是求解对流换热系数的重要方法。5-2对流换热问题的数学描写

求解对流换热问题应该包括质量守恒、动量守恒及能量守恒这三大守恒定律的数学表达式，此外还必须指出对流换热微分方程组的定解条件。对流换热问题的简化:(1)流动是二维的；(2)流体为不可压缩的牛顿型流体；(3)流体物性为常数、无内热源；(4)粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计。

以图5-4所示微元体是热力学中的一个开口系统。根据热力学第一定律，有(5-5)

流体流过微元体时位能及动能的变化均可以略而不计，流体也不作功，于是有(a)

对于二维问题，在时间内由导热进入微元体的热量为：(b)

而在相同的内由x+dx处的截面流出微元体的焓为由于流体流出、流进微元体所带入带出的焓差以x方向为例，在时间内由x处的截面进入微元体的焓为

在时间内，微元体中流体温度改变了，其热力学能的增量为(c)（d）(e)

将两式相减得时间内在x方向上由流体净带出微元体的热量，略去高阶无穷小后为(f)同理，y方向上的相应表达式为(g)于是，在单位时间内由于流体的流动而带出微元体的净热量为(h)

将式(b)、(c)、(h)代入式（a）并化简，即得二维、常物性、无内热源的能量微分方程：（5-6）说明：(1)、流体中有强度为内热源，式(5-6)右端需加上。(2)、式(5-6)表明，对流换热由对流项和导热项完成。(3)当流体静止时，式(5-6)即退化成为常物性、无内热源的导热微分方程。

对于不可压缩、常物