No.1011025对流传热的理论基础探析.ppt

第五章 对流换热;5-1 对流换热概说 5-2 对流换热问题的数学描写 5-3 对流换热的边界层微分方程组 5-4 边界层积分方程组的求解及比拟理论;§5-1 对流换热概述;(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须 有温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 壁面处会形成速度梯度很大的边界层;4 表面传热系数（对流换热系数）;5 对流换热的影响因素;（2）平均对流换热系数;2. 温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等;;6 对流换热的分类：;(2) 流动状态（流动型态，流型）;(3) 流体有无相变;(5) 流体的热物理性质：;对流换热分类小结：;§5-2 对流换热问题的数学描写;1 质量守恒方程(连续性方程);——能量微分方程;对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体);前面4个方程求出温度场之后，可以利用对流换热微分方程：;5-3 对流换热的边界层微分方程组;二、速度边界层;（1）流场分为主流区和边界层区。只有在边界层区才考虑粘性的影响，需用粘性流体的微分方程描述。在主流区，流体视为理想流体，用贝努利程描述； （2）边界层内厚度δ壁面尺寸l， δ= δ (x) ； （3）在边界层内，流动状态分为层流、过渡流和紊流；紊流边界层内紧贴壁面处仍有极薄层保持层流状态，称为层流底层。;三、热边界层;故：湍流换热比层流换热强！;四、边界层对换热的影响;局部换热系数——换热表面不同位置的对流换热系数； 平均换热系数——整个换热表面局部对流换热系数的积分平均值，即;2、边界层对对流换热系数h的影响; 根据流动边界层和热边界层的特点，运用数量级分析的方法，将对流换热微分方程组进行简化，即 边界层概念 + 数量级分析 = 简化的换热微分方程组;例：二维、稳态、强制对流;能量方程：;边界层对流换热微分方程组： 3个方程、3个未知量：u、v、t，方程封闭 如果配上相应的定解条件，则可以求解;对于主流场均速 、均温 ，并给定恒定壁温的情况下的流体纵掠平板换热，即边界条件为;式中：;平均努塞尔数Nu：;? 与 ?t 之间的关系;定义：;§5-3 对流换热的边界层微分方程组;假定平板表面温度为常数，边界层动量方程中dp/dx=0，可以求解得到层流截面上速度场和温度场的分析解。;局部表面换热系数：; 计算过程注意事项： a. Pr ?1 ； b. ， 两对变量的差别； c. x 与 l 的选取或计算 ； d. e. 定性温度：;此式在层流范围内与实验相符，与微分解一致，见图5-9。;例5-1 压力为大气压的20℃的空气，纵向流过一块长400mm，温度为40 ℃的平板，流速为10m/s，求；离板前缘50mm, 100mm，150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，400mm处的流动边界层和热边界层的厚度。(p217);热边界层的厚度可按式5-21计算;基本思想：假设流动的阻力特性与换热特性有一定的关系，依据这种关系就可以在已知阻力系数的情况下推算出与之对应的换热系数。; 根据边界层的概念，忽略流动方向的扩散作用，可以得到边界层内流动和换热的微分方程组，即;无量纲边界条件为：;当 Pr = 1时，无量纲流速U的方程和无量纲温度?的方程具有完全相同的形式，并且其边界条件也相同，因此U和?应该有完全相同的解，即;从而得到：;当 Pr ? 1时，需要进行修正，于是有 契尔顿－柯尔本比拟（???正雷诺比拟）： 式中， St 称为斯坦顿（Stanton）数，其定义为 j 称为 j因子，在制冷、低温工业的换热器设计中应用较广。;当平板长度 l 大于临界长度 xc 时，平板上的边界层由层流段和湍流段组成。其Nu分别为：;注意以下几点： a. 的区别； b. 的计算； c. 层流和湍流的判断 d. 如果既有层流，也有湍流，则需要采取分段计算热流密度或上述的平均对流换热系数 e. 如果采用Num时，注意特征长度为换热面全长;比拟理论求解湍流对流换热方法小结：