传热学 第五章 对流原理.ppt

第五章 对流换热 对流换热是指流体与固体壁面直接接触时所发生的热传递过程。这一章，我们要进一步探讨对流换热的机理，分析影响对流换热的各种因素，并简要介绍用因次分析法确定对流换热系数的方法等。 对流换热分类： 1.按有无相变分类：有相变的对流换热和无相变的对流换热。 2.按流动原因分类：强（受）迫对流换热和自然对流换热。 3.按流体流过壁面情况分类：内部（有界）流动对流换热和外部（无界）流动对流换热。 5.1 速度边界层和热边界层 对流换热是导热和热对流同时起作用的过程，过程中所传热量的基本计算依据是牛顿冷却定律，即 Ｑ＝αＡ（tf－tw） W 或 q＝α（tf－tw） W／m２ （5-1） α ＝q/（tf－tw） W 对流换热系数α表征着对流换热的强弱。在数值上，它等于流体和壁面之间的温度差为1℃时，通过对流换热交换的热流密度。单位为W/(m２·℃)。 对流换热量以及相应的换热系数的大小，将更多地取决于流体的运动性质和情况。 一、速度边界层 流体力学指出，具有粘性且能湿润固体壁面的流体，流过壁面会产生粘性力。根据牛顿粘性（内摩擦）定律，流体粘性力τ与垂直于运动方程速度梯度(dv/dy）成正比，即: τ＝μ（dv/dy） Ｎ／m２ （5-2） 式中，μ称为流体的动力粘度，单位为Pa·s或kg/(m·s）。 当粘性流体以主流速度vf流过固体壁面时，由于流体的粘性产生的壁面的摩擦力，使紧贴壁面处流体的速度降为零，离壁面愈远的流体速度愈接近于来流速度vf，沿壁面法线方向上出现速度梯度。流体力学中，把具有明显速度梯度的那一层流体薄层叫做速度边界层，图5-1表明了速度边界层在平板上的形成和发展过程。 根据流体力学知识，层流边界层厚度  在层流边界层内的速度分布线为抛物线型；在紊流边界层内，层流底层部分的速度分布较陡，接近于直线，而在底层以外的区域，由于流体微团的紊流运动，动量传递被强化了，速度变化趋于平缓。 二、热边界层 热边界层又称温度边界层，它和速度边界层的概念相类似。实验表明，当流体流过与其温度不同的固体壁面时，在紧贴壁面的那一层流体中，沿壁面法线方向温度发生显著变化，流体的温度由壁面温度变化到主流温度。传热学中，把温度发生剧烈变化，具有明显温度梯度的这一流体薄层称为热边界层。 图5-2为流体流过平板时热边界层的形成和发展过程。 假定恒物性流体进入平板时的温度各处均匀一致，为tf，平板表面温度也各处均匀一致，为tw，且tf＞tw。由图可见；热边界层内，垂直壁面法线方向上温度分布情况，是紧贴壁面的流体温度等于壁面温度tw，随着离壁面距离的增加，温度逐渐升高，直到某处等于流体主流温度tf，以后基本不变。通常，把无量纲过余温度比(t－tw）/（tf－tw）＝０的壁面处到(t－tw）/（tf－tw）＝0.99处的那一流体层视为热边界层，其沿壁面法线方向的距离定义为热边界层的厚度，用符号δt表示。 显然，流体温度的分布与流体的流动有关，深受速度边界层的影响。流体呈层流状态时，流体微团沿相互平行的流线进行，没有横向流动，不发生物质交换，壁面法线方向上的热量传递，基本上靠分子的导热进行，层内温度变化较大，温度分布呈抛物线型。对于紊流边界层，其中层流底层的热量传递也是靠导热，而在紊流核心层的热交换，除靠分子的导热外，主要靠流体涡流扰动的对流混合，从而使得层流底层的温度梯度最大，而在紊流核心层温度变化平缓比较均匀一致。 三、换热微分方程式 温度差主要集中在热边界层内，通过紧贴壁面的层流边界层和层流底层的热量只能以导热方式进行,由付立叶定律计算: (a) 所有的传热量都必须通过这薄层流体，局部换热系数为αx，据牛顿冷却定律：  （b)  （５.３） 式(5-3)描述了对流换热系数与流体温度场的关系，称为对流换热过程微分方程式。 由式可知：在流体性质和传热温差一定的情况下，对流换热系数α的大小取决于边界层内的温度梯度。一切能提高温度梯度的因素都能强化换热过程，反之，将削弱换热过程。对于不存在相变(如无沸腾、冷凝现象)的单相流体对流换热过程，各种因素往往通过影响边界层厚度而影响。 如果层流底层的厚度减小，则相应的温度边界层的厚度也要减小，从而使得温度梯度上升，α也增高。因此，通过改善流动状况，使层流底层厚度减薄，是强化对流换热的主要途径之一。 下面我们就着重围绕这一线索来分析各种因素对α的影响。 5.2 影响对流换热的因素