南京工业大学传递工建第8章热对流.ppt

第八章 对流传热 ghp 对流传热 两种流体之间或流体与固体之间，因存在温度差异而产生的换热称为对流传热过程。 流体传热过程通常是对流和导热联合作用的结果。 本章以C.E.方程，N-S方程，E.E.方程为基础，运用边界层理论，分析流体内部温度分布（变化规律）得到对流传热速率表达式。 本章内容 一、对流传热概述 二、圆管内的层流传热 三、沿平板层流传热的精确解（自学） 四、沿平板层流传热的近似解 五、湍流传热（类比解） 沿平板湍流传热的近似解（补充） 一、对流传热概述 1.温度边界层 2.对流传热系数及求解途径 3.对流传热微分方程 1.温度边界层（热边界层） 1）温度边界层定义 当流体流过固体壁面时，若流体温度与壁面的不同，则壁面附近的流体受壁面温度的影响将建立一个温度梯度，将流动流体中存在温度梯度的区域定义为温度边界层或热边界层。 如图8－1所示，叙述如下： 温度边界层 以流过平板为例，来说明平板壁面上温度边界层的形成过程。 流体以均匀速度u0 和温度T0流向表面温度为Ts的平板（假定T0 Ts） 流体进入平板后，与壁面接触的流体温度首先由于与壁面之间的温度差而发生变化， 热边界层的厚度在平板前缘处为零，然后随着流体流过平板的距离的增大，温度边界层 ?T 也逐渐增厚。 为研究方便，规定流体与壁面间的温差(T - Ts)达到最大温差(T0-Ts) 99％处的流体距壁面的距离为热边界层的厚度。 由此温度边界层的定义为： 温度边界层 根据温度边界层的定义，流体的整个温度场可以划分为热边界层区和边界层外近似等温区。 在热边界层内分子导热与对流换热起主要作用；在温度边界层外温度近似等于主流体的温度，温度梯度等于零。 以上讨论的是平板壁面上流体的温度边界层，而在圆管内的温度边界层与平板上的温度边界层有很大差别，在此有必要对其作一个介绍。 当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展与在进口附近速度边界层的形成和发展过程很相似，如图8－4所示。 温度边界层 流体最初以均匀速度和温度为进入管内，因受管壁温度的影响形成温度边界层，此时温度边界层内的流体温度 T 高于（被加热）进口流体温度 T0，而在热边界层以外到管中心的区域内，流体尚未被加热仍为 T0 。 随着流过距离的增加，流体受到加热的区域增大，热边界层厚度?T由进口的零值逐渐增厚，经过距离 Lt 后，在管中心汇合，厚度为管半径。 流体由管进口至汇合点的轴向距离称为热进口段长度Lt（或热起始段）。 汇合点之后，热边界层进入充分发展段。 汇合点之前，称为正在发展段。 热进口段长度Lt 2）速度边界层与温度边界层对比 共同点： ① 边界层厚度薄： 不同点： ① 速度边界层必定在板前缘形成，而温度边界层不一定在板前缘一开始就就形成，而是在传热点（ x0 ? 0）才开始形成。 边界层对比 ? 为运动粘度，表征分子动量传递能力，因此有 2．对流传热系数 h 分析对流传热机理可知，流体与固体的对流传热过程可视为这么两个过程： 1.先由固体表面以纯导热的方式通过由于粘性粘附在固体表面上的静止流层； 2.接着热量被流体以对流传热形式带走。 流体与固体壁面间的对流传热量 q等于贴壁静止流层中的导热量q，见图 对流传热系数 h 理论求解就是要从有关方程中解出沿壁法向壁面处的温度变化率，然后利用傅立叶导热定律求出导热量： 对流传热系数 h 由上式可看出求解 h 的关键在于找出流体近壁处的温度分布。 对流传热系数的求解途径 ① 由对流传热微分方程求得温度分布 从而得到对流传热系数解析解。 ② 应用边界层能量微分方程求精确解，应用边界层能量积分方程求近似解。 ③ 利用动量和热量传递之间的类似性采用类比解。 ④ 相似论求解（相似论或量纲分析）。 3.对流传热微分方程 对流传热问题的一个重要方面是要求出流体内的温度分布规律 这就需要用到描述对流传热的能量微分方程。 直角坐标系 对流传热微分方程 若方程中包含的速度分布未知，就得引入表示速度场的 N-S 方程 二、圆管内的层流传热 圆管内的换热是工程技术中一类很重要的换热问题。本节主要讨论2种管内传热情况： 1.壁面恒热流 2.恒壁温 1.壁面恒热流 圆管内的换热是工程技术中一类很重要的换热问题。 若由管壁面输入流体的单位面积的热流密度为已知常数，在工程上可应用电阻加热或辐射加热实现。 现讨论管内一维、稳态、层流流动，流动和热边界层都处于充分发展段，流体内无内热源。 假定流体的物性恒定，轴向导热与径向导热量相比很小，可以近似忽略。 试求管内对流传热系数。 恒热流 采用柱坐标系下的能量微分方程： 该问题的边界条件B.C.为 壁面恒热流 壁面恒热流 有了温度分布，由对