第5章对流传热理论与计算-3-边界层理论概要.ppt

上节课 本章的目标——用理论或实践的方法具体给出各种场合下h的计算关系式(经验半经验公式) 对流传热的影响因素 ——流动的起因及流动的状态 ——流体的热物理性质 ——换热面的形状、大小和位置 ——相变的影响、介质类型的影响 对流传热的分类 上节课 换热微分方程式——对流传热的计算式 普朗特 普朗特（Ludwig Prandtl 1875~1953）德国力学家。近代力学奠基人之一 普朗特在大学时学习机械工程，后在慕尼黑工业大学主攻弹性力学，1900年获得博士学位 普朗特 普朗特 普朗特在力学方面取得许多开创性成果 ——边界层理论 ——风洞实验技术 ——机翼理论 ——湍流理论 普朗特的边界层理论极大地推进了空气动力学的发展 速度边界层（Velocity boundary layer）：将壁面附近速度存在强烈变化的流体薄层 速度边界层的外缘—主流速度的99％处 速度边界层厚度—壁面至边界层外缘间的距离 Boundary Layer Thickness，记作δ 2 速度边界层的特征 （1）边界层厚度和壁面尺寸相比是一个小量 （2）边界层区和主流区 边界层内速度变化剧烈，主流区速度几乎不变 （2）边界层区和主流区 边界层内速度变化剧烈，主流区速度几乎不变 （3）边界层厚度沿流动方向是不断增加的 （4）边界层内的流态 ——主流区无粘性，不必考虑流态 ——边界层区，粘性流体，有层流、湍流之分 流态判断准则——雷诺数 平板前缘：δ小，速度梯度大，粘性力大，为层流层流边界层（laminar boundary layer） 特点：层状、有秩序的滑动状流动，各层之间互不干扰 随x的增加，δ逐渐增加，粘性力和惯性力的大小对比要发生变化 在xc后，边界层内惯性力相对强大，使边界层变得不稳定起来——过渡流边界层 随x继续增加，惯性力起主要作用，旺盛湍流边界层 特点：依靠宏观涡旋来传递动量，传递能力强，边界层明显增厚 紧贴壁面：速度梯度极高，粘性力占主导，保持层流特性——层流底层，也称为粘性底层 远离壁面：粘性影响迅速减弱，速度剖面相对很平坦，惯性力占主导——湍流核心 二者之间缓冲层 贴壁处速度梯度的比较 二 热边界层－温度边界层 1921年，波尔豪森（E.Pohlhausen）提出 壁面附近温度变化的机理 热边界层—将壁面附近温度发生剧烈变化的流体薄层 Thermal boundary layer 2 热边界层的特点 （1）热边界层区和主流区 ——热边界层区：温度变化非常剧烈 ——主流区：等温流动区域 （2）热边界层厚度也是一个小量 （3）热边界层厚度沿流动方向也不断增加 （4）热边界层内的传热机理取决于层内的流动状态 ——层流：导热占主导地位 ——湍流 层流底层：热传导占主导 紊流核心区：热对流占主导 紊流边界层的热阻取决于层流底层的导热热阻 三 两类边界层间的关系 流动边界层——壁面摩擦力对流体速度影响的范围，取决于流体的粘性 边界层内速度发生变化，动量也发生变化，边界层厚度反映了流体动量变化的范围 运动粘度反映了流体传递动量能力的大小，因此也称为动量扩散系数 2 两类边界层是相互影响 流动和传热同时存在时，两类边界层存在着密切的联系 ——温度边界层通过影响粘度而影响速度边界层 ——热边界层内的传热机理取决于流动边界层内的流动状态 3 Prantl数－Pr数 物理意义—动量扩散能力与热量扩散能力之比 Pr数是一个无量纲的物性参数 3 Prantl数－Pr数 Pr数与流体种类有关 常用流体：0.6－4000，如各种气体大致在0.6－0.7 某些油类的Pr数可高达104，液态金属只有10-2 温度对Pr数的影响很大 利用Pr数定性地判断两类边界层厚度的相对大小 流体沿平板的层流流动，若两类边界层能同时形成于平板的前缘时 四 管内流动时的边界层－内部流动的代表 流体纵掠平板的流动－外部流动 管内流动——内部流动，流动空间受到限制 流动边界层和热边界层的形成机理上是完全相同 边界层的发展有差异 1 流动边界层 壁面无滑移：壁面摩擦力作用+流体的粘性 边界层也将沿轴向逐渐增厚 受管内空间的限制，边界层不会无限制地增厚 在距管入口处的某个长度达到管半径，边界层充满了整个管道 再沿管内流动，边界层厚度不变 流动充分发展—边界层充满整个管道后的流动 流动入口段长度—管入口到边界层开始充满整个管道间的长度 管内层流流动——只能生成层流边界层 管内紊流流动——先形成层流边界层，然后迅速转换为紊流边界层，直到发展到最后的充分发展状态而保持不变 2 热边界层 热边界层——壁面附近温度发生剧烈变化的区域 热边界层厚度将随着壁面加热或冷却作用而不断加厚 受管内空间限制，在离管入口的某个长度处，热边界层