工程热力学和传热学15对流换热原理.ppt

第十五章 对流换热原理 对流换热问题的分类 第二节 对流换热过程的数学描述 故引入： （2）能量微分方程－描述流体的温度场 故引入：（2）动量微分方程－描述流体的流速场 故引入： 对流换热过程的单值性条件： 几何条件：换热物体的形状和尺寸； 物性条件：流体的种类以及热物性参数； 边界条件：流体边界面上的速度和温度； 时间条件：初始时刻的速度和温度等；只适用 于非稳态过程。 确定对流换热系数的方法 2.实验法 3.类比法 第三节 对流换热过程的实验求解 相似理论（原理） 影响换热系数的因素很多，要找出众多变量间的函数关系，实验次数非常之多，以致无法实现。通过相似原理的理论分析：①可以大幅度地减少变量；②代表性提高；③可减少盲目性。 1. 物理量的相似 对于几何相似有：几何体各对应边应成同一个比例。 常用相似准则 第三节 对流换热过程的实验求解 tw tf 同几何相似一样，对于彼此相似的物理分布，可通过将其中的一个分布全盘放大或缩小而得到与之相似的一切分布——物理相似。 5 无量纲量的获得：相似分析法 在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一系列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。 以右图的对流换热为例： 现象1： 现象2： 数学描述： 2个现象相似 （1） （2） ?代入（1） 与（2）比较 获得无量纲量及其关系： 上式证明了“同名特征数对应相等”的物理现象相似的特性。 类似地：通过动量微分方程可得： 惯性力与粘性力之比 通过对能量微分方程进行相似分析： 动量扩散率与热量扩散率之比 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——格拉晓夫数 式中： —— 流体的体积膨胀系数 K-1 Gr —— 表征流体浮升力与粘性力的比值 浮升力与粘性力之比 Gr 格拉晓夫数 动量扩散率与热量扩散率之比 Pr 普朗特数 惯性力与粘性力之比 Re 雷诺数 壁面上流体的无量纲温度梯度 Nu 努塞尔数 物理意义 定义 符号 名称 * * * * * * 运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。因此,影响对流换热的因素远比导热要多。 第一节 对流换热概述 第二节 对流换热过程的数学描述 第三节 对流换热过程的实验求解 第一节： 对流换热概述 1 对流换热的定义和性质 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。 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热。 (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 2 对流换热的特点 3 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式: 4 对流换热系数 —— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。 如何确定α及增强换热的措施是对流换热的核心问题。 研究对流换热的方法： （1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法 5 对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无相变; (4)换热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质。 6 对流换热的分类： (1) 流动起因 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) 流动状态 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 紊流：流体质点做复杂无规则的运动 （Laminar flow） （Turbulent flow） (3) 流体有无相变 单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 （Single phase heat transfer） （Phase change） （Condensation） （Boiling） (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 (5) 流体的热物理性质： 导热系数 密度 比热容 动力粘度 运动粘度 体胀系数 综上所述，对流换热系数是