《对流换热》PPT课件

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1、第11章对流换热运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。因此,影响对流换热的因素远比导热要多。本章旨在揭示对流传热过程的物理本质、数学描述方法和实验研究的基本原则。11.1概述11.1.1牛顿冷却公式：对于外部绕流，tf取流体的主流温度，即远离壁面的流体温度t∞；对于内部流动，tf取流体的平均温度。（a）局部对流换热（c）平均换热系数（b）整体对流换热若(tw-tf)x=tw-tf=常数，则11.1.2对流换热的影响因素1.流动的起因强迫对流自然对流流速缓慢，流体分层地平行于壁

2、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）。流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动。2.流动的状态层流紊流外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，流速是决定因素。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。4.流体的物理性质热导率、密度、比热容c、动力粘度η、体涨系数对于理想气体，pv=RgT，代入上式，可得=1/T。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。3.液体有无相变有相变无相变壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾

3、现象对流换热系数比有相变时小得多流体热导率越大，流体导热热阻越小，对流换热越强烈。用来确定物性参数数值的温度称为定性温度。c反映单位体积流体热容量大小，数值越大，通过对流转移的热量越多，对流换热越强烈。粘度η影响速度分布与流态，对对流换热有影响。常用定性温度：流体的平均温度tf、壁面温度tw以及流体与壁面的算术平均温度1/2(tw+t∞)5.换热表面的几何因素换热壁面的形状、尺寸、相对于流动方向的位置以及表面粗糙度等几何因素都会引起换热系数的变化。11.1.3对流换热的主要研究方法1.分析法2.数值法3.实验法4.比拟法为简化分析，做如下假设：流体为连续性介质

4、，流体为常物性，不可压缩，流体为牛顿流体，无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热，以二维对流换热为例。11.2对流换热过程的数学描述11.2.1对流换热微分方程及其单值性条件1.对流换热微分方程局部换热系数在整个换热面上的积分平均值为该换热面的平均换热系数。连续性介质假设上式建立了对流换热表面传热系数与温度场之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模型应该包括描写速度场和温度场的微分方程。1）基于质量守恒定律的连续性微分方程2）基于动量定律的动量微分方程,x方向惯性力项体积力项压力梯度项粘滞力项其中：uv微元体能量守恒（不考虑动能和位能变化）：

5、其中：由对流进入微元体的净热量有x和y两个方向：其中：同理，y方向：则：又：代入能量守恒表达式：得：改写成：2.对流换热的单值性条件1)几何条件说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流体之间的相对位置，壁面的粗糙度等。2)物理条件说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化规律、有无内热源以及内热源的分布规律等。3)时间条件说明对流换热过程是稳态还是非稳态。对于非稳态,应给出初始条件（过程开始时的速度、温度场）。4)边界条件第一类边界条件给出边界上的温度分布规律：如果tw=常数，则称为等壁温边界条件。第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律：如果qw=常数，则称

6、为等热流边界条件。对流换热微分方程组和单值性条件构成了对一个具体对流换热过程的完整的数学描述。但由于这些微分方程非常复杂，尤其是动量微分方程的高度非线性，使方程组的分析求解非常困难。1904年，德国科学家普朗特(L.Prandtl)在大量实验观察的基础上提出了著名的边界层概念，使微分方程组得以简化，使其分析求解成为可能。紧贴壁面的流体静止，热量传递依靠导热，根据傅里叶定律给出了边界面法线方向流体的温度变化率从平板表面到未扰动的流体之间存在着一个流速分布不均匀的区域，这个区域就是流体受平板影响的范围，速度发生明显变化的流体薄层，叫做流动边界层。1.边界层概念1)流动

7、边界层11.2.2边界层理论与对流换热微分方程组的简化流动边界层厚度:流场的划分:主流区：y＞边界层区:速度梯度存在与粘性力的作用区。边界层的流态：层流边界层、过渡区、湍流边界层紊流核心边界层从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定度，由实验确定的临界雷诺数Rec给定。临界距离xc：对于流体外掠平板的流动,一般情况下，取2)热边界层（温度边界层）温度变化较大的流体层热边界层厚度t:边界层的传热特性：在层流边界层内垂直于壁面方向上的热量传递主要依靠导热。湍流边界层内，层流底层的热量传递主要靠导热；湍流核心热量

8、传递主要靠