理学对流换热.pptxVIP

§3.2 对流换热(convection of heat)对流：流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程称为对流。◆机理:由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播。◆因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式：◆自然对流(natural convection)：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流。强制对流(forced convection)：借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流。NOTE：强制对流比自然对流有较好的传热效果。◆什么情况下会发生对流传热？流动流体中自然对流强迫对流对流换热的分类对流换热应用背景介绍工程上流体流过一个物体表面的时的热量传递过程，叫做对流换热。工程上利用这种换热方式来实现许多装置的热交换问题。 自然界中的种种对流现象电子器件冷却强制对流与自然对流动物的身体散热沸腾换热原理空调蒸发器、冷凝器对流传热系数大致数值范围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● 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电风扇2.对流换热的特点(1)流体的宏观运动 + 微观的导热，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，对流换热的机理与通过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关对流传热过程对流传热包括以下几部分：Q流体主体t1靠近壁面存在滞流层，该层的传热主要依靠流体分子传导传热。流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度。流体主体中的传热主要依靠流体质点的位移和混合，基本不存在温度梯度。固体壁面t2滞流内层过渡层中的传热既有传导传热，也有流体质点位移而碰撞的传热，该层中存在较小的温度梯度。在对流传热中将有明显温度梯度的区域（滞流内层和过渡层）称为传热边界层。过渡层对流传热的膜理论模型有效膜：把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面处构成的一层厚度为δ的流体膜。膜模型：假设膜内为层流流动，膜外为湍流，所有热阻集中在有效膜中。普朗特速度边界层的概念：实验发现：流体近壁面流动时基于粘性力的速度梯度主要存在于近壁面的薄层，主流区速度梯度很小。固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界层? ，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。Ludwig Prandtl 1875-1953实际流动 ≈ 边界层内粘性流动 +主流区无粘性理想流动普朗特速度边界层的概念：流动形态与流速，距离和流体物性相关层流：流体分层流动，各层间无掺混。湍流：流体间相互掺混，无规则脉动。如何区分？临界雷诺数 RecOsborne Reynolds 1842-1912普朗特速度边界层的概念：xxc, ReRec 层流光滑平板： Rec＝5×105光滑圆管： Rec＝2100xxc, ReRec 湍流层流底层（粘性底层）：紧靠壁面处，粘性力占主导地位，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征。层流底层内具有最大的速度梯度。边界层的特点： 边界层厚度δt，δ与壁面尺寸相比是小量，而δt与δ 量级一致； 边界层内速度梯度和温度梯度很大； 流动区域分为边界层区和主流区，主流区的速度梯度和温度梯度可忽略； 边界层内存在层流和湍流形态。引入边界层概念的意义： 可以有效减小计算区域。对流换热问题主要集中于边界层内，主流视为理想流体； 应用边界层概念可以有效简化微分方程组。边界层概念的适用范围： 对于流动分离的问题，边界层概念不适用。3.对流换热的基本计算式牛顿冷却式: 只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示 与影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数的表达式。4.影响对流换热系数 的因素流体流动的起因流体有无相变流体的流动状态换热表面的几何因素流体的物理性质(1)流体流动起因自然对流：流体内部冷（温度t1）、热(温度t2)各部分的密度ρ不同所产生的浮升力作用而引起的流动。因t2t1，所以ρ2ρ1。若流体的体积膨胀系数为β，则ρ1与ρ2的关系为ρ1=ρ2（1+βΔt）,Δt=(t2-t1)。于是在重力场内，单位体积流体由于密度不同所产生的浮升力为强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动如空气自然对流的h值约为5-25 W/(m2·℃)，而强制对流的h值可达10-250 W/(m2·℃)。层流过渡流（旺盛）湍流 (2) 流动状态当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传递充分，且随着Re增大，靠近固体