7.3单相流体对流换热计算.ppt

热工学基础 第二部分 单元7 对流换热 单元7 对流换热 单元7 对流换热 单元7 对流换热 【知识点】 牛顿冷却公式，强制对流换热，自然对流换热，凝结换热，沸腾换热。 【能力目标】 掌握：各种对流换热的基本概念。 理解：强制对流换热和自然对流换热及其特征。 熟悉：各公式的适用范围以及各种相关参数的合理选 择。 应用：能应用相关概念和公式进行对流换热分析和计 算。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。在这一过程中，不仅有离壁面较远处流体的对流作用，同时还有紧贴壁面薄层流体的导热作用。因此，对流换热实际上是一种由热对流和导热共同作用的复合换热形式。 对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对流换热；按流体是否有相变分为相变对流换热和无相变对流换热；相变对流换热又分为凝结换热和沸腾换热。可以把对流换热分成以下几类，如图7.1所示： 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 流体的流动状态可以分为两种类型：一种是流体质点始终沿流向作直线运动，质点和流层间彼此不掺混，这种流动状态称为层流；另一种是流体质点不仅有沿流向的运动，还有垂直于流向的运动，流层间相互掺混，这种流动状态称为紊流。在紊流中，由于流体的质点相互掺混，碰撞更为强烈，因此对流换热效果会更强。 当具有粘性的流体流过壁面时，就会在壁面上产生粘滞力。粘滞力阻碍了流体的运动，使靠近壁面流体的速度降低，使直接贴附于壁面的流体近于停滞不动，流体速度u=0。一般地，把从紧贴壁面速度u=0至速度等于来流速度u=u∞之间的流体薄层称为流体的速度边界层。边界层的厚度一般很小，如图7.2所示。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 以流体在管内流动为例，流体的流动状态在沿流向x轴方向和与流向垂直的y轴方向都有变化。如图7.3所示。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 （1）流体在流动方向x上的流态变化 在流体入口处，粘滞力起主导作用，速度梯度相当大，流体呈现层流状态，形成层流段。流体继续流动，层流边界点开始逐渐偏离壁面，向y方向移动。当流体到达一定距离时，流体的惯性力逐渐强于流体的粘滞力，使边界层内的流动变得不稳定起来，流态朝着紊流方向过渡，形成过渡段。随着流动的距离继续增加，流体呈现旺盛紊流状态，形成紊流段。 （2）紊流段中流体在y方向上的流态变化 由于紧贴壁面处的粘滞力仍起主导作用，致使贴附于壁面的极薄层的流体仍保持层流的状态，这一薄层流体称为层流底层。底层之上即为紊流层。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 当流体在壁面上流动时，其紧贴壁面的极薄的层流底层相对于壁面几乎是不流动的。壁面与流体间的热量传递必须通过这个层流底层，热量传递的方式只能是导热这种方式，因此对流换热量实际上就等于层流底层的导热量。在层流段，沿壁面法线方向上的热量传递主要依靠导热作用；在紊流段，层流底层内的热量传递方式仍然是导热，这是紊流段主要的热阻；但在层流底层以外，对流的作用仍然占主导作用。因此，对流换热实际上是依靠层流底层的导热和层流底层以外的对流共同作用的结果。对流换热的热阻主要集中在流体的层流内层内，因此减薄层流内层的厚度是强化对流换热的主要途径。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 如前所述，对流换热是对流和导热共同作用的结果，那么所有支配这两种作用的因素，诸如流动的起因、流动状态、流体物性、物相变化、壁面的几何参数、管路的振动等等，都会影响对流换热系数α。 （1）流体流动的起因 流体在壁面上流动的原因有两种：一种是自然对流，另一种是强制对流。一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而对流换热系数也高。例如空气自然对流换热系数约为5～25 W/（m2·℃），强制对流换热系数可达10～100 W/（m2·℃）；再如受风力影响，房屋墙壁外表面的对流换热系数比内表面高出一倍以上。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 （2）流体的流态 流体的流动存在着两种不同形式的流态，即层流和紊流。层流时，流体沿壁面法线方向的热量传递主要依靠导热，故对流换热系数的大小取决于流体的导热系数。紊流时，紊流核心的热阻较小，对流换热系数的大小主要取决于层流底层的热阻。因此，要强化对流换热效果，应该在一定程度上提高流体的流速，这样可以使流体的流态由层流变为紊流，减小层流底层的厚度，提高表面传热系数。 （3）流体的物理性质 流体的物理性质如密度ρ、动力粘度ν、导热系数λ以及定压比热容cp等，对对流换热有很大的影响。流体的导热系数越大，流体与壁面之间的热阻就越小，换热就