材料科學工程課件2-3對流換熱.ppt

,第三節(jié) 對流換熱計算,傳 熱 學,3.1 對流換熱基本定律 3.2 對流換熱微分方程 3.3 對流換熱問題的數學描述 3.4 自然對流換熱 3.5 流體強制對流時的對流換熱,傳 熱 學,對流換熱的定義和性質 對流換熱的特點 對流換熱的基本計算式 對流換熱系數(表面?zhèn)鳠嵯禂?,3.1 對流換熱基本定律,傳 熱 學,1 對流換熱的定義和性質,對流換熱是指流體流經固體時流體與固體表面之間的 熱量傳遞現(xiàn)象。, 對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導熱；不是基本傳熱方式,傳 熱 學,(1) 導熱與熱對流同時存在的熱傳遞過程 (2) 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差 (3) 由于流體粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層,2 對流換熱的特點,傳 熱 學,3 對流換熱的基本計算式,牛頓冷卻公式:,傳 熱 學,4 表面?zhèn)鳠嵯禂担▽α鲹Q熱系數）, 當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量,影響表面?zhèn)鳠嵯禂档囊蛩?傳 熱 學,(1) 流動起因:Free convection or Forced convection,(2) 流動狀態(tài): Laminar flow or Turbulent flow,傳 熱 學,(3) 流體的熱物理性質：,熱導率,密度,比熱容,動力粘度,運動粘度,體脹系數,(4) 流體有無相變,(5) 換熱面的幾何狀況,平壁表面？ 圓管內？ 圓管表面？,傳 熱 學,綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂凳潜姸嘁蛩氐暮瘮担?傳 熱 學,當粘性流體在壁面上流動時，由于粘性的作用，在貼壁處被滯止，處于無滑移狀態(tài)（即：y=0, u=0）在這極薄的貼壁流體層中，熱量只能以導熱方式傳遞。,根據傅里葉定律：,3.2 對流換熱過程微分方程,傳 熱 學,h 取決于流體熱導系數、溫度差和貼壁流體的溫度梯度,對流換熱過程微分方程式,牛頓冷卻公式:,傳 熱 學,3.3 對流換熱問題的數學描述,1）對流換熱取決于流體的運動 和熱現(xiàn)象。 對于流體的運動有： （1）質量守恒定律 （連續(xù)性方程）,傳 熱 學,（2）粘性流體的運動微分方程,傳 熱 學,熱現(xiàn)象 （3）不可壓縮、常物性、無內熱源時, 能量守恒定律: （4）對流換熱微分方程：,對于不可壓縮、無內熱源、穩(wěn)態(tài)二維問題,共3個方程，包含了4個未知數（ux, uy,p,t）。雖然方程組是封閉的，原則上可以求解，然而由于Navier - Stokes方程的復雜性和非線性的特點，要針對實際問題在整個流場內數學上求解上述方程組卻是非常困難的，這種局面直到1904年德國科學家普朗特（L. Prandtl) 提出著名的邊界層概念，并用它對Navier一Stokes方程進行了實質性的簡化后才有所改觀，使數學分析解得到發(fā)展。后來，波爾豪森（E. Pohlhausen )又把邊界層概念推廣應用于對流傳熱問題，提出了熱邊界層的概念，使對流傳熱問題的分析求解也得到了發(fā)展。,傳 熱 學,2）對流換熱邊界層及邊界層微分方程組,傳 熱 學,層流邊界層速度梯度較均勻地分布于全層。 湍流邊界層在緊貼壁面處，仍有一層極薄層保持層流狀態(tài)，稱為層流 底層。 速度梯度主要集中在層流底層。,傳 熱 學,熱邊界層,熱邊界層：靠近壁面溫度急劇變化的薄層 。,傳 熱 學,對流換熱分析,（1）流體流經固體壁面時形成流體邊界層，邊界層內存在速度梯度；,（2）當形成湍流邊界層，在此薄層內流體呈層流流動。因此在層流內層中，沿壁面的法線方向上沒有熱對流，該方向上熱的傳遞僅為流體的熱傳導。,（3）在湍流主體中，流體質點劇烈混合并充滿了漩渦，湍流主體中的溫度差(溫度梯度)極小，各處的溫度基本上相同。,（4）在湍流主體和層流內層之間的過渡層內，熱傳導和對流傳熱均起作用，在該層內溫度發(fā)生緩慢的變化。,傳 熱 學,問題1. 對流換熱的本質是什么？,問題. 對什么么紊流的對流換熱系數大于層流？為什么流體的導熱系數對換熱系數有影響？為什么流體的粘度對換熱系數有影響？為什么換熱表面對換熱系數有影響？,問題,傳 熱 學,平板上對流換熱系數,邊界條件,y=0,y=,沿板長的對流換熱系數,平均換熱系數,傳 熱 學,3） 相似原理及量綱分析,通過實驗求取對流換熱的實用關聯(lián)式，仍然是傳熱研究中的一個重要而可靠的手段。然而，對于存在著許多影響因素的復雜物理現(xiàn)象，要找出眾多變量間的函數關系，實驗的次數十分龐大。為了大大減少實驗次數，而且又可得出具有一定通用性的結果，必須在相似原理指導下進行實驗。,傳 熱 學,4） 相似原理的應用,相似原理在傳熱學中的一個重要的應用是指導試驗的安排及試驗數據的整理。 相似原理的另一個重要應用是指導模化試驗。所謂模化試驗，是指用不同于實物幾何尺度的模型（在大多數情況下是縮小的模型）來研究實際裝置中所進行的物理過程的試驗。,（1）相似原理的重要應用：,傳 熱 學,（2）使用特征方程時應注意的問題：,特征長度應該按準則式規(guī)定的方式選取,特征長度：包含在相似特征數中的幾何長度。,如：管內流動換熱：取直徑 d 流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動：取當量直徑作為特征尺度：de,傳 熱 學,定性溫度應按該準則式規(guī)定的方式選取,定性溫度：計算流體物性時所采用的溫度。,常用的選取方式有： 通道內部流動取進出口截面的平均值 外部流動取邊界層外的流體溫度和固體壁面溫度的平均值，也稱為膜溫度。,傳 熱 學,準則方程不能任意推廣到得到該方程的實驗參數的范圍以外,參數范圍主要有： 數范圍； 數范圍； 幾何參數范圍。,傳 熱 學,（3） 常見準數的物理意義及表達式,Re（ Rerynolds 雷偌）準數 慣性力與粘性力之比 Fr（Froude弗魯德）準數：Fr=u2/gL 重力與慣性力之比 Eu （ Euler 歐拉）準數：Eu=p/u2 壓力（流動阻力）與慣性力之比 Ho 諧時性準數：H0=u/L,傳 熱 學,Fo（Fourier傅立葉）準數： 溫度場、速度場隨時間的變化關系 Pr（Prandtl普朗特）準數： 分子動量擴散率與熱擴散率之比； 速度場與溫度場的關系 Pe（Peclet貝克利）準數 Nu（Nusselt努謝特）準數 邊界層內溫度梯度與平均溫度梯度之比；對流換熱強度與邊界內溫度分布的關系。,傳 熱 學,其它推導準數,Ga（Galilei伽利略）準數 Gr（Grashot格拉曉夫）準數 浮力與粘性力之比,傳 熱 學,(4)準數方程 以對流換熱過程為例,準數方程的簡化 f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo、Nu）=0 Nu =f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo） 流體運動方程：Eu =f（Re、Ho、Fr） Pe =Re.Pr 穩(wěn)定速度場、穩(wěn)定溫度場： Ho、 Fo 準數方程的一般形式：Nu =f（Re、Fr、Pr） 自由流動主要是由溫差引起 Nu =f（Re、Gr、Pr） 自然對流：Nu =f（Gr、Pr） 相同流體： Nu =f（Gr） 強制對流：Nu =f（Re、Pr） 相同流體： Nu =f（Re）,傳 熱 學,3.4 自然對流換熱,自然對流：不依靠泵或風機等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻，在重力場作用下產生的流體運動過程。 自然對流換熱：流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對流時發(fā)生的熱量交換過程。,傳 熱 學,1 豎板 2 水平管 3 水平板 4 豎直夾板,自然對流換熱可分成無限空間對流換和有限空間對流換熱兩類,傳 熱 學,3.4.1 無限空間中的自然對流換熱,1） 換熱過程分析,傳 熱 學,物理意義：反映了流體溫差引起的浮升力導致的自然對流流場中的流體慣性力與其粘性力的對比關系。,當Gr109時，自然對流邊界層就會失去穩(wěn)定而從層流狀態(tài)轉變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。,2） 自然對流換熱準則方程式為,傳 熱 學,式中：定性溫度采用,特征長度的選擇：豎壁和豎圓 柱取高度，橫圓柱取外徑。,工程中廣泛使用的是下面的關聯(lián)式：,傳 熱 學,E-Mail: 4/new/clgcjc/web/,傳 熱 學,注：豎圓柱按表取值時與豎壁用同一個經驗公式只限于以下情況：,Gr,C,n實驗求解法: 取對數; 定準數; 最小二乘法求解。,傳 熱 學,3.4.2 有限空間的自然對流換熱,有些自然對流換熱過程受到固體表面的限制而形成受限空間中的自然對流換熱。,傳 熱 學,恒壁溫條件下空氣在豎夾層的準則關系式為：,公式準則的定性溫度為：,tm=(tw1+tw2)/2,（1） 豎夾層,特征長度為夾層厚度,傳 熱 學,水平夾層中在恒壁溫情況下的 空氣自然對流換熱計算公式為：,（2）水平夾層,傳 熱 學,3.5 流體強制對流時的對流換熱 3.5.1.管內強制對流 管內強制對流流動和換熱的特征,（1）流動有層流和紊流之分 層流： Re 4000,傳 熱 學,管內流動換熱示意圖,（2）入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂蹈摺?傳 熱 學,表面?zhèn)鳠嵯禂惦S邊界層發(fā)展的變化情況,熱邊界層內的傳導,設流體為常物性,傳 熱 學,(a) 層 流 (b) 紊 流,表面?zhèn)鳠嵯禂惦S邊界層發(fā)展的變化情況,傳 熱 學,（3）熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種 紊流：除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計 層流：兩種邊界條件下的換熱系數差別明顯。,傳 熱 學,（4）特征速度及定性溫度的確定 特征速度：計算Re數時用到的流速，一般多取截面平均流速。 定性溫度：計算物性的定性溫度多為截面上流體的平均溫度（或進出口截面平均溫度）。,傳 熱 學,(1) 紊流換熱_DittusBoelter公式： 加熱流體時 ， 冷卻流體時 。 式中: 定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長度為管內徑。, 管內強制對流換熱,傳 熱 學,公式適用范圍：,溫度要求：氣體50，水20-30 在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻導致速度分布發(fā)生畸變。,傳 熱 學,在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻導致速度分布發(fā)生畸變。對于氣體和液體其變化不一樣,傳 熱 學,DittusBoelter修正公式,對氣體被加熱時,被冷卻時,液體受熱時,對液體,液體被冷卻時,傳 熱 學,適用范圍為：,定性溫度為流體平均溫度 （w 按壁溫 確定），管內徑為特征長度。,（2）層流換熱 _ SiederTate公式：,傳 熱 學,（3）過渡流區(qū)換熱_ 格尼林斯基公式：,對氣體,范圍為：,傳 熱 學,對液體,范圍為：,傳 熱 學,3.5.2 外部流動強制對流換熱,橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。,外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。,傳 熱 學,傳 熱 學,邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。 右圖為橫掠圓管局部換熱系數的變化,傳 熱 學,C及n 值,單根橫掠管準則關系式：,傳 熱 學,影響管束換熱的因素除 數外，還有：叉排或順排；管間距；管束排數等。,外掠管束在換熱器中最為常見。 通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強、阻力損失大并難于清洗。,橫掠管束換熱,傳 熱 學,叉排和順排排列方式:,傳 熱 學,后排管受前排管尾流的擾動作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊懼钡?0排以上的管子才能消失。 這種情況下，先給出不考慮排數影響的關聯(lián)式，再采用管束排數的因素作為修正系數。,傳 熱 學,式中，s1 和 s2 分別為垂直于流動方向和沿著流動方向上的管子之間的距離，而z為管排數目的修正系數。此公式考慮了管子排列和管排數目對換熱的影響。z準則關系式的特征尺寸為管外直徑，特征流速為管排流道中最窄處的流速，定性溫度為流體平均溫度。,準則關系式為:,傳 熱 學,例 煙氣經換熱器管束的平均溫度900，壁面溫度為600，換熱器部分煙氣流速為4.5m/s,換熱器管外直徑57mm,管束按叉排方式排列，s1=2d,s2=2d,共6排。求煙氣流經換熱器管束的平均換熱系數。,解：當煙氣溫度tf = 900, 查表，煙氣物性參數： = 152.510-6m2/s，=0.1，W/m，Prf=0.59, Prw=0.62； Re = ud/=4.50.057/(152.510-6)=1682 由上表查出： Nuf =0.35Re0.6Prf0.36(Prf/Prw)0.25(s1/s2)0.2=24.79 =Nu/d = 24.790.1/0.057 = 43.49W/(m2)