[工学]传热学单元5.ppt

第五章 对流传热 的理论基础 内容概要 对流传热概说 对流传热问题的数学描写 边界层型对流传热问题的数学描写 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论 对流换热分类 对流换热微分方程组 (4)边界条件：说明对流换热过程的边界特点 速度边界层 速度边界层 速度边界层内的流态 温度边界层 温度边界层 边界层的主要特点 边界层厚度δ、δt是同一数量级的量，而与壁面尺寸相比是很小的量，即： δ∽δt ,δ、δtL; 引入边界层的意义 缩小计算区域： 边界层微分方程组 数量级 对流换热微分方程组 对流换热微分方程组 边界层动量微分方程 边界层动量微分方程 边界层能量微分方程 求解示例——流体外掠等温平壁 普朗特数 比拟理论求解湍流对流换热 固体表面附近流体温度发生剧烈变化的薄层称为温度边界层。其厚度δt，通常规定壁面法线方向过余温度达到来流过余温度99%处为温度边界层的外边界。即： Tw 边界层内有层流和湍流两种状态 引入边界层概念后，流动区域可分为边界层区和主流区，主流区可认为是理想流体的流动（无粘不可压） 边界层内速度梯度和温度梯度很大，即 边界层区：流体的粘性作用起主导作用，流体的运动 可用粘性流体运动微分方程组描述（N-S方程） 主流区：速度梯度为0，? =0；可视为无粘性理想流体 ；可用欧拉方程描述。 对流换热问题的研究可把精力集中在边界层区。 边界层内的流动与换热可利用边界层特点进一步简化——边界层微分方程组。 流场可以划分为边界层区与主流区 Info. Back 数量级分析： 比较方程中各项数量级的相对大小； 保留数量级较大的项，舍去那些数量级小的项；使方程大大简化 对流换热微分方程组 边界层的特点 数量级 分析法 边界层 微分方程组 各项数量级视具体问题性质而不同。 由边界层概念导出如下数量级关系： 另外， 由连续方程 可得 二维、常物性、无内热源 二维、稳态、常物性、无内热源、强制对流换热 二维、稳态、常物性、无内热源、层流、强制对流换热 在数量级上相当于x方向乘以小数 ，因此整个y方向的动量微分方程可忽略不计。 从而有 表明：边界层内的压力仅沿x方向变化，法向的压力梯度极小。边界层内任一截面压力与y无关而等于主流压力。 可视为边界层的又一特性 层流边界层对流换热微分方程组： 3个方程、3个未知量：u、v、t，方程封闭 如果配上相应的定解条件，则可以求解 边界层微分方程组 Back 边界条件 边界层对流换热微分方程组 可得局部表面传热系数 的表达式 * §5-1 对流换热概述 对流换热：指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。 热对流：流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式: 是对流换热的核心问题! 增强换热的措施 如何确定h 局部对流换热， 平均表面传热系数： 对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和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)流体流动的起因; (2)流体的流动状态; (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 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 流动状态 层流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。 湍流（紊流）：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅速混合。 流体有无相变 单相换热 相变换热：凝结换热、沸腾换热 换热表面的几何因素 指换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。 1）热导率?，?愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈； 2）密度? 3）比热容c，?c反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈； 4）动力粘度?，运动粘度?＝?/?，流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热； 流体的热物理性质 5）体胀系数?V 体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。 ?V 综上所述，表面传热系数是众多因素的函数： 特征长度（定型尺寸） 对流传热的研究方法 （1）分析法 求解对流传热微分方程组。 近年来发展迅速，可求解很复杂问题：三维、紊流、 变物性、超音速 （3）比拟法 利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数 （2）实验法 用相似理论指导，得到实验关联式 （4）数值