第五章对流换热第六章.ppt

第五章对流换热第六章;§5-1 对流换热概说;牛顿公式;1 对流换热的定义和性质;(1) 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;3 对流换热的基本计算式;第七页，共一百七十三页，2022年，8月28日;4 表面传热系数（对流换热系数）; （1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法;5 影响对流换热系数 的因素有以下5 方面 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;6 对流换热的分类：;;(3) 流体有无相变;第十四页，共一百七十三页，2022年，8月28日;(5) 流体的热物理性质：;第十六页，共一百七十三页，2022年，8月28日;综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：;;;综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：;7 对流换热过程微分方程式; h 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度;温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 ? 温度场取决于流场;§5-2 对流换热问题的数学描述;1 质量守恒方程(连续性方程);第二十六页，共一百七十三页，2022年，8月28日;分别写出微元体各方向的质量流量分量：;同理，单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量：;微元体内流体质量守恒(单位时间内)：;2 动量守恒方程;动量微分方程的推导;动量微分方程 — Navier-Stokes方程（N-S方程）;对于稳态流动：;3 能量守恒方程;1、导热引起的净热量;X方向热对流带出微元体的焓;X方向热对流引起的净热量;热对流引起的净热量;热对流引起的净热量简化为;导热引起净热量+热对流引起的净热量=微元体内能的增量;; 动量守恒方程;前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：;§5-3 边界层概念及边界层换热微分方程组;层流底层;1. 物理现象 当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴附于壁面的流体速度实际上等于零，在流体力学中称为贴壁处的无滑移边界条件。 ;定义 这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定： （主流速度）处的距离 为流动边界层厚度，记为 。;5.物理意义 在这样薄的一层流体内，其速度梯度是很大的。在 的薄层中，气流速度从 变到 ，其法向平均变化率高达 。; 根据牛顿粘性定律，流体的剪应力与垂直运动方向的速度梯度成正比，即：;6. 掠过平板时边界层的形成和发展; (3) 湍流边界层包括湍流核心、缓冲层、层流底层。在层流底层中具有较大的速度梯度。 ;7. 临界雷诺数 ——运动粘度， ； 　 ——动力粘度;8. 小结 综上所述，流动边界层具有下列重要特性 (1) 流场可以划分为两个区：;(2) 边界层厚度与壁面尺度相比，是一个很 小的量 。 ;(3) 边界层分： 层流边界层——速度梯度较均匀地分布于全层。 湍流边界层——在紧贴壁面处，仍有一层极薄层保持层流状态，称为层流 底层。 速度梯度主要集中在层流底层。;热边界层; 由于速度在壁面法线方向的变化出现了流动边界层，同样，当流体与壁面之间存在温度差时，将会产生热边界层，如上图所示。;在 处，流体温度接近主流温度 ，这一区域称为热边界层或温度边界层。 称为热边界层的厚度。 热边界层以外可视为等温流动区（主流区）。; 边界层概念的引入可使换热微分方程组得以简化:;5个基本量的数量级：;的平均值为;?的数量级全为1，则;y方向的动量扩散可以忽略; 边界层中二维稳态能量方程式的各项数量级可分析如下：;由于 《 因而可以把主流方向的二阶导数项 略去于是得到二维、稳态、无内热源的边界层能量方程为; 于是得到二维、稳态、无内热源的边界层换热微分方程组;其中dp/dx是已知量，可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定（忽略重力或平面流动）;对于平板，上述方程的求解结果（层流）及局部传热系数为（1908,Blasius, 1921, Pohlhausen);式中：;? 与 ?t 之间的关系;表明：此情况下动量传递与热量传递规律相似;§5-4 边界层积分方程组的求解及比拟理论; 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