对流传热基础及微分方程组.ppt

高等传热学 对流换热基本 【学习任务】 本章首先从对流传热物理过程的角度,定性的分 析对流传热的影响因素,然后较为深入地讨论对流传热 过程的数学描写。我会尽可能为大家建立一个较为全面 的对流传热概念框架,为接下来几章更为深入学习对流 传热打下基础。 【主要学习提纲】 ,热对流和对流传热的概念 2工程中热对流的概念(边界层的导热与其它部分的热 对流) 3.影响对流换热的因素分析 4.建立温度场与表面传热系数的数学联系 5.对流换热基本方程(主要是能量方程的推导) 6.其他补充内容 对流换热搋述 热对流:依靠流体的流动将热量从一处传递到另一处的现象 即运动的流体质点以热焓形式将热量带走。能量传递中,流体是 能量的携带者或传递者。 热对流只发生在运动的流体中。流体运动时,流体微团运动 的同时,伴随有微观粒子的热运动,即导热,热对流与导热同时 发生,两者密不可分 对流换热:工程概念,指流动流体与固体壁面或其他界面之间 的换热。 对流传热是由流体宏观流动所产生的热量转移 边界层外边 (热对流)以及流体中分子的微观热运动所产生的热 量转移(热传导)联合作用的结果 台→流动携带 即:对流传热=热对流+热传导 对流换热概述 对流换热的换热量用牛顿冷却公式计算。对单位面积有 h(t-t)=hAt 对面积为A的接触面 Φ=Ah(t-t)=Ahtm 式中,Δt为换热面积A上的平均温差。约定q及Φ总是取正值,因此Δt及Δt也 总是取正值 研究对流传热问题的关键和难点是确定公式 牛顿冷却公式只是对流传热表面换热系数h的一个定义式,它 没有揭示出表面传热系数与影响它的有关物理量之间的内在联系。 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,因此,凡是影响流体导热和对流的 因素都将对对流换热产生影响。主要有五个方面 对流换热的影晌因素 (1)流动的起因:影响速度分布与温度分布 强制对流换热 自然对流换热 般情况下,自然对流的流速较低,因此自然对流换热通常 比强制对流换热弱,表面传热系数要小 (2)流动的状态 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) 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,因此紊流对流换热要比层流 对流换热强烈,表面传热系数大, 对流换热的影晌因素 (3)流体有无相变「沸腾換热 凝结换热 (4)流体的物理性质 热导率λ,W(m-K),愈大,流体导热热阻愈 小,对流换热愈强烈; 密度p,kg/m3 比热容c,J(kgK)。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; 动力粘度η,Pas;运动粘度=n/,ms。 流体的粘度影响速度分布与流态,因 此影响对流换热; 对流换热的影晌因素 体积膨胀系数a,K 对于理想气体,pv=RT,代入上式,可得=。 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 对于同一种不可压缩牛顿流体,其物性参数的数值 主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度 称为定性温度。在分析计算对流换热时,定性温度的 取法取决于对流换热的类型 对流换热的影晌因素 (5)换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺 寸、相对位置以及表面粗糙内都盈功 外部骁流 度等几何因素将影响流体的 a)蛋迫对流 流动状态,因此影响流体的 速度分布和温度分布,对对从 流换热产生影响。 热面朝上 热面朝下 影响对流换热的因素很 b)自级对流 多,表面传热系数是很多变 量的函数, 特征长度(定型尺寸) 7 y 几何因素 对流换热的分奕 内部流动圆管内强制对流换热 其他形状截面管道内的对流换热 强制对流 外掠平板的对流换热 外掠单根圆管的对流换热 外部流动外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面形状柱体的对流换热 无相变 射流冲击换热 自然对大空间自然对流 有限空间自然对流 对流换热 混合对流 沸腾换执大容器沸腾 管内沸腾 有相变 凝结换执管外凝结 管内凝结 对流换热的研究亦法 分析法 数值法 理论分析、数值计算和实验研 究相结合是目前被广泛采用的解决 试验法 复杂对流换热问题的主要研究方式 比拟法 除稀薄气体外,连续介质的假设冋样适用于对流换热,因而 连续介质力学与热力学的一些基本定律仍然适用,微元体和控制 体的方法始终贯穿于对流换热的分析当中。 接下来,我们将重点解决对流換热的数学描述问题,和流体 力学中相似,我们需要从质量、动量角度建立平衡方程,而相比 流体力学,我们要重点讨论能量方程,也就是热的平衡方程的讨 我们再来解决进入正题之前的最后一个问题