传热学-第五章1-2.ppt

对流传热的理论基础 Convection Heat Transfer 对流换热分类小结: 五、 对流换热过程的单值性条件 (1) 几何条件 (4) 边界条件 * 第五章  §5-1 对流换热概述 对流换热的定义: 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。 对流换热量由牛顿冷却公式计算： 对牛顿冷却公式的几点说明： 1）由于传热的方向很明确，总是高温向低温传热，规定q总是正值。 2）换热系数h不是物性参数。 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题。 3）h不是q与Δt之间的比例系数。 4）牛顿提出了冷却率与温差正比的概念：故称之为牛顿冷却公式。 一、影响对流换热的因素： 1）流动原因：自然对流和强迫对流 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动 2）流体的相变：蒸汽遇冷凝结，由汽 水；液体受热而沸腾，由水 汽。特点：有相变。此时除了壁面与流体进行换热，还有汽化潜热参与换热。故 相变 无相变 单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化 （Single phase heat transfer） （Phase change） （Condensation） （Boiling） 3) 流动状态 层流（Laminar flow）整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流（Turbulent flow）流体质点做复杂无规则的运动 两种流态的传热方式不同： 层流：由于层与层之间互不干扰，其传热方式在垂直与壁面方向是导热。 紊流：不仅在平行与壁面方向有流动而且在垂直与壁面方向也有对流运动，形成漩涡。这种法向对流运动造成的热量传递远远大于由分子扩散造成的导热作用。即紊流的换热强度大于层流。 4) 换热表面的几何因素： 内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束 换热面的形状、大小、表面状态、换热面与流体运动方向的相对位置等，对换热规律都有影响。 5) 流体的热物理性质： 热导率 密度 比热容 动力粘度 运动粘度 体胀系数 综上所述，表面传热系数是众多因素的函数： (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和温度 边界层 对流换热的特点小结： 二、研究对流换热系数h的求解方法： （1）分析法：求解对流换热的微分方程，在定解条件下获得速度场和温度场。 （2）实验法：由实验获得对流换热系数h，实验是在相似原理指导下进行。 （3）比拟法：利用动量传递与热量传递的共性，建立对流换热系数h与阻力系数之间的关系来确定h的计算式。 （4）数值法：利用计算机进行数值解，发展方向 三、 对流换热系数与温度场的关系 当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0, u=0）在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递，因此对流换热量就等于贴壁流体层的导热量。 根据傅里叶定律： 根据牛顿冷却公式： 由傅里叶定律与牛顿冷却公式： 对流换热系数与温度场的关系 — 系数 壁面x处局部表面传热 x h 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，无论是第几类边界条件求解，都必须求出温度场。 由上式可知 1）对流换热过程归根是y=0处的导热问题。 2）hx 取决于流体热导系数λ，λ大的流体，对流换热系数也大。 3）hx与温度差和贴壁流体的温度梯度有关 §5-2 对流换热问题的数学描述 b) 流体为不可压缩的牛顿型流体 为便于分析，只限于分析二维对流换热 即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定 律，称非牛顿型流体 c) 所有物性参数（?、cp、?、?）为常量，无内热源 4个未知量:速度 u、v；温度 t；压力 p a) 流体为连续性介质 假设： d) 粘性产生的热损失忽略。 一、 质量守恒方程(连续性方程) M 为质量流量 [kg/s] 流体的连续流动遵循质量守恒规律 从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体 单位时间内、沿x轴方向、经x表面流入微元体的质量 单位时间内、沿x轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量 单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量： 单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量： 单位时间内微元体 内流体质量的变化: 微元体内流体质量守恒： 流入微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化 (