传热学课传热学第五章New.pptVIP

第五章 对流换热 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电风扇 3 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式: 6 对流换热的分类： (1) 流动起因 (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 (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 对流换热分类小结 ⑶流体热物性以 影响对流换热系数。 ⑷当Pr=1时：热边界层厚度与流动边界层相同。且无因次速度分布和无因次温度分布相同。 ⑸微分方程式具有准则方程形式的解。 用边界层积分方程求解对流换热问题的基本思想: (1) 建立边界层积分方程 针对包括固体边界及边界层外边界在内的有限大小的控制容积； (2) 对边界层内的速度和温度分布作出假设，常用的函数形式为多项式； (3) 利用边界条件确定速度和温度分布中的常数，然后将速度分布和温度分布带入积分方程，解出 和 的计算式； (4) 根据求得的速度分布和温度分布计算固体边界上的 令边界层速度分布为 3、精确解与近似解的比较 将精确解和近似解汇总于下表 §5.5动量传递和热量传递的类比 重点内容： 动量传递和热量传递类比的基本原理及其在紊流对流换热中的应用。 ? 紊流是工业领域里各种对流换热应用中存在最普遍的流动状态。紊流时流体的动量、热量交换水平都大大高于层流。但是紊流运动规律作分复杂，它的机理迄今尚未被完全掌握，甚至还缺少—个严格统一的定义。 本节阐述的类比原理，是利用流动阻力的实验(或理论)数据解决对流换热问题的—种方法的基本原理。可适用于层流、紊流以至分离流(绕流脱体)。 一、紊流动量传递和热量传递机理 1、传递机理 层流换热中动量和热量的传递主要靠分子扩散作用 紊流传递过程中，除了在层流换热中分析过的分子扩散传递作用外，还存在流体质点紊流脉动所引起的附加动量和热量传递作用。 其中εm为紊流动量扩散率（紊流粘度），εh为紊流热量扩散率，均不是流体的物理性质，是与紊流强度有密切关系的物理量，单位为m2/s。 2、紊流边界层结构 雷诺的一层结构模型：认为流动边界层完全由紊流核心区组成。 普朗特的二层结构模型：认为流动边界层由层流底层和紊流核心区组成。 冯·卡门的三层结构模型：认为流动边界层由层流底层、缓冲层和紊流核心区组成。 ?二、类比律 1、雷诺类比律与柯尔朋类比律 雷诺1874年按照紊流边界层一层结构模型，提出雷诺类比方程： 由此得： 或 此即雷诺类比律，这样，已知摩擦系数，即可推算表面传热系数. 雷诺类比律只适用于Pr=1的流体，以及流体阻力仅限于摩擦阻力的场合。 当Pr≠1时，可用 修正，得出柯尔朋类比律： 柯尔朋类比律适用于Pr=0.5-50。 表面传热系数的确定方法 （1）微分方程式的数学解法 a）精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到 边界层微分方程组 常微分方程 求解 b）近似积分法： 假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程 c）数值解法：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 （2）动量传递和热量传递的类比法 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 （3）实验法 用相似理论指导 §5-3 边界层换热微分方程组 边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的 流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产生温 度梯度很大的温度边界层（或称热边界层） 1 流动边界层（Velocity boundary layer） 1904年，德国科学家普朗特 L.Prandtl 由于粘性作用，流体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. 从 y = 0、u = 0 开始，u 随着 y 方向离壁面距离的增加而迅速增大；经过厚度为 ? 的薄层，u 接近主流速度 u? ? — 边界层厚度 ?小：空气外掠平板，u?=10m/s： 边界层内：平均速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大 可见边界层很薄 由牛顿粘性定律： 边界层外： u? 在 y 方向不变化， ?u/?y=0 流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 速度梯度大，粘滞应力大 粘滞应力为零 — 主流区 边界层内：平均速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大 流体外掠平板时的流动边界层 临界距离：由