第5章-对流换热分析.ppt

本章任务——h的确定 方法 1）分析法 ——第三、四节 2）类比法 ——第五节 3）数值法 4）实验法 ——第六节 温度场 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 ? 温度场取决于流场 温度场需求----必求速度场 流动边界层的特性： 1. 流动边界层极薄，其厚度δ与壁的定型尺寸l 相比较小； 2. 在边界层内存在较大的速度梯度； 3. 边界层流态分为层流、紊流，紊流边界层紧靠壁处仍是层流，称层流底层； 4. 流场可以划分为主流区（欧拉方程——理想流体）、边界层（流体运动换热微分方程——粘性流体） 从上述连续方程、动量方程解出速度场，进而获得边界层厚度δ 、局部摩擦系数Cf,x ： 外掠平板紊流换热说明： 1. 求解过程与外掠平板层流换热类似： 根据经验关联式计算局部摩擦系数Cf,x 局部Nux 全板Nu按照层流段和紊流段分别积分求解 2. 利用常壁温外掠平板紊流平均换热准则关联式计算即可，P133公式5-41~43。 3. 准则式，注意其适用范围。 注意事项： 1. 同类现象才能谈相似； 2. 由于描述现象的微分方程式的制约，物理量场的相似倍数间有特定的制约关系，体现这种制约关系，是相似原理的核心； 3. 注意物理量的时间性、空间性。 无相变受迫稳态对流换热（自然对流不容忽视）： 作业： 13、14、18、19、26、30 若对流换热现象相似，写出各量间的相似倍数： 将相似倍数间的关系代入（1）中，得： 将上式与（2）比较 ? 获得无量纲量及其关系： （3）由能量微分方程，得： 贝克利准则 证明两对流换热现象相似，必然 hl/λ 数群相等，这种方法是相似分析 hl/λ=Nu --努谢尔特准则 普朗特准则 （2）类似地：由动量微分方程，得： （4）对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数——格拉晓夫准则 式中：? —— 流体的容积膨胀系数 K-1 Gr —— 表征流体浮升力与粘性力的比值 类似地，两对流换热相似时： 2. 相似准则的意义 （1）努谢尔特准则 Nu 等于边界层内无因次过余温度对无因次坐标的变化率在固体边界面上的值, 努谢尔特数表征壁面法向无量纲过余温度梯度的大小，反映了对流换热的强弱。 （2）雷诺准则 Re 反映了流动时惯性力和粘性力的相对大小，受迫流动时流体状态是由惯性力与粘性力综合作用的结果，所以雷诺数大小实际表示着流体流动状态，换热准则方程式中出现了它是表示流动状态对换热的影响。 在其它条件相同时，紊流状态下对流换热强度层流， 同样紊流，高Re状态下对流换热强度低Re . （3）格拉晓夫准则 Gr 式中：? — 流体的容积膨胀系数 ,1/K. 理想气体时为1/T, 蒸气、液体时实验测出，查表格. l —壁面定型尺寸, Δt —— = tw-t f ν—运动粘度 自由流动换热时，流体与固体壁面之间存在着温度差别,造成了主流区域与边界层内流体密度差别，形成了边界层内流体运动的浮升力,流体本身的粘性力阻碍了流体运动，格拉晓夫准则的数值反映了浮升力和粘性力的相对大小，它表明了自然对流流态对换热的影响。 反映了浮升力和粘性力的相对大小。 （4）普朗特准则 Pr 式中： ν—流体的运动粘度，m2/s，反映流体分子传递动量的能力 α―和热扩散率， m2/s，反应流体分子扩散热量的能力 因此，可以反映流体动量传递能力和热量传递能力的相对大小 反映流体物性的 无因次准则数 3. 相似准则间的关系 流动换热空间中，对流换热微分方程组确定了空间中各物理量的函数关系，由这些物理量确定的无因次准则数之间也应有一定函数关系,它们反映了求解对流换热微分方程得出的计算公式实际上是准则数之间的关系。 将变量中各物理量组合,写成准则数形式，则可以将有因次的公式变为无因次准则之间的关联式 无相变受迫稳态对流换热（自然对流可以忽视）： 空气受迫紊流换热： 自然对流换热： Nu — 待定准则数 （含有待求的 h） Re，Pr，Gr — 已定准则数 4. 判别相似的条件（两现象相似判断的条件） （1）属于同类现象 例如都属于自由对流换热，或者都属于强迫对流换热（微分方程形式相同，边界条件相同）。 （2）单值性条件相似 ①几何条件：是指换热壁面几何形状及尺寸、壁面粗糙度、壁面与流体间的相对几何关系。 ② 物理条件：流体