10对流换热.ppt

第十章 对流换热 10－1 对流换热的基本概念 10－3 对流换热的准则方程 * 一、对流换热定义及基本公式 1. 定义：流体和固体壁面直接接触时, 所发生的传热现象称为对流换热。 2. 基本公式： 或 牛顿冷却公式 h——对流换热系数， 影响对流换热的因素很多，全包含在 h 中。 3. 研究任务： 求取h。 二、边界层概念 1. 速度（流动）边界层 ⑴ 速度边界层的定义：由于流体粘性作用，在壁面 附近存在速度梯度的薄层。 设： 则 的薄层称为速度边界层。 , 形成机理：在粘性力作用下，流体与壁面间的摩擦力 使近壁区速度逐层降低。 在紧贴壁面 y = 0 处，速度 ux= 0。 （uf 为主流速度） 在边界层内, 很大，故τ也较大。 τ—粘性力 主流区：边界层以外，流速维持uf 不变的区域。 在主流区中， 。(层间相对速度为0) ⑵ 掠过平板时边界层的形成和发展 设：流体以uf 流进平板前缘。 边界层厚度 δ 、 ux变化如图。 稳定边界层为三层结构。(层流底层、过渡层、紊流核心) 层流底层：稳定边界层中紧贴壁面仍保持层流的极薄层。 （1）起始处x=0，δ=0； 之后x ↑—δ↑,τ↓； x＜xc，为层流段， 速度分布为抛物线； （2） x＞xc后，惯性力＞粘性力，层流 流动状态开始变 化, 由层流→ 过渡流→紊流， δ 变厚。 原因：紊流传递能量，把粘性力传到了较远的地方。 2. 温度边界层（热边界层） ⑴ 定义：由于温差作用，在壁面附近存在温度梯度 的薄层。 设： , 则 称温度层界层 ⑵ 温度分布 对层流：主要靠导热传热， 边界层内温度分布呈抛物线型。 层流 层流 tf＜tw （3）热边界层的几个特点： （a）热边界层是因速度边界层而形成； （b）一般δ≠δt ，只有当 a =ν（即普朗特准则 Pr = ν / a = 1 ）时，二者才相等； (a 热扩散系数或导温系数， ν运动粘度) （c）热边界层形态与 速度边界层相似。 对紊流：层流底层靠导热传热，紊流区主要 靠脉动引起的对流，热阻主要取决于层流底层的导热过程。边界层内温度分布呈幂级数型。 三、对流换热热量传递机理 对流换热热量传递是对流和导热共同作用的结果 其中 对流（主要在紊流区）——流体质点不断 运动和混合产生宏 观热对流。 导热（主要在层流区）——流体与壁面、 流体各处之间分子的微观导热作用。 四、影响因素 1）流动起因 自由流动——由流体冷热各部分的密度差引起； 受迫流动——受外力（如风机、水泵等）推动 而引起。 在一般情况下： 2）流动状态（简称流态－有层流和紊流之分） （1）流态的判据——Re（雷诺数） 定义式：Re =ρuL / η= uL / v 式中： u——特征速度（公式规定的代表性速度） 物理意义： 惯性力 摩擦阻力 （2）流态区分 Rec临界雷诺数—层流与紊流相互转变时的雷诺数 层流 紊流 过渡流 两种流态交替出现 Re＜Rec Re＞Rec Re＝Rec 3）流体的物性 （1）不同的流体，物性不同； （2）同一流体，温度不同，物性也不同。 因此: 采 用定性温度作为确定物性的温度。 定性温度的选取方式： 流体平均温度 tf 壁表面温度 tw 流体与壁面的算术平均温度 4）流体有无相变（有相变h大） 物性对对流换热的影响 常常用无量纲准则普朗特数Pr 来反映物性的影响。 Pr = v/ a = 运动粘度/热扩散率=速度扩散率/温度扩散率 ∴ Pr1, δ δt ; Pr=1, δt = δ; Pr1, δ δt ; 例：外掠平壁：板长 L 管内流动： （非圆管道用 当量水力直径: 管外流动： d外 d内 5）换热表面的几何尺寸、形状、位置 采用定型尺寸表征几何影响的特征 定型尺寸：对换热有决定性影响的特征尺寸。 de＝4 Ac ／ p） P －流体湿润周长 Ac－槽道流通