傳熱學(xué)-第5章+對(duì)流換熱的理論基礎(chǔ).ppt

傳熱學(xué) 第5章對(duì)流換熱的理論基礎(chǔ) 內(nèi)容要求 對(duì)流換熱概說(shuō) 對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述 邊界層對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描寫(xiě) 流體外掠平板傳熱層流分析解及比擬理論 第5章對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ) 2 對(duì)流換熱 Convectionheattransfer 流體流過(guò)另一個(gè)物體表面時(shí) 對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞現(xiàn)象 1 對(duì)流 Convection 是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí) 冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞現(xiàn)象 平壁表面的傳熱機(jī)理 5 1對(duì)流傳熱概說(shuō) 5 1 1對(duì)流傳熱的基本概念和計(jì)算公式 3 牛頓冷卻公式 Newton slawofcooling 式中 tw 固體表面的平均溫度 tf 流體溫度 外部繞流 外掠平板 圓管 tf為流體的主流溫度 內(nèi)部流動(dòng) 各種形狀槽道內(nèi)的流動(dòng) tf為流體的平均溫度 tf h 固體表面的平均表面換熱系數(shù) 4 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 局部對(duì)流換熱時(shí)局部熱流密度 整個(gè)換熱物體表面的總對(duì)流換熱量 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) tw tf Const 對(duì)流換熱的核心問(wèn)題 歸納起來(lái) 主要有以下五方面 流動(dòng)的成因 自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流 流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài) 層流 紊流 換熱時(shí)物體有無(wú)相變 沸騰 凝結(jié) 流體的物性 導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 密度 比熱容等 換熱表面的幾何因素 對(duì)流換熱是流體的導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種基本方式共同作用的結(jié)果 因此凡是影響流體導(dǎo)熱和對(duì)流的因素都將對(duì)對(duì)流換熱產(chǎn)生影響 5 1 2對(duì)流傳熱的影響因素 1 流動(dòng)的起因 強(qiáng)迫對(duì)流 自然對(duì)流 流動(dòng)的起因不同 流體內(nèi)的速度分布 溫度分布不同 對(duì)流換熱的規(guī)律也不同 自然對(duì)流 由于流體內(nèi)部的密度差產(chǎn)生的流動(dòng) 強(qiáng)迫對(duì)流 流體在泵 風(fēng)機(jī)或其他外部動(dòng)力作用下產(chǎn)生的流動(dòng) 2 流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài) 層流流動(dòng) 湍流流動(dòng) 層流 Laminarflow 流速緩慢 沿軸線(xiàn)或平行于壁面作規(guī)則分層流動(dòng) 熱量傳遞 主要靠導(dǎo)熱 垂直于流動(dòng)方向 湍流 Turbulentflow 流體內(nèi)部存在強(qiáng)烈脈動(dòng)和旋渦運(yùn)動(dòng) 各部分流體之間迅速混合 熱量傳遞 主要靠對(duì)流 導(dǎo)熱 對(duì)流 3 流體有無(wú)相變 Fluidmotioninducedbyvapourbubblesgeneratedatthebottomofapanofboilingwater Condensationofwatervapourontheoutersurfaceofacoldwaterpipe 有相變 沸騰換熱 凝結(jié)換熱 流體發(fā)生相變時(shí)的換熱規(guī)律及強(qiáng)度和單相流體不同 4 流體的熱物理性質(zhì) 對(duì)對(duì)流換熱的強(qiáng)弱有非常大的影響 密度和比熱容 體積熱容 單位體積流體熱容量的大小 導(dǎo)熱系數(shù) 影響流體內(nèi)部的熱量傳遞過(guò)程和溫度分布 越大 導(dǎo)熱熱阻越小 對(duì)流換熱越強(qiáng)烈 水的換熱能力遠(yuǎn)高于空氣 水的冷卻能力強(qiáng)于空氣 粘度 影響速度分布與流態(tài) 層流 湍流 越大 分子間約束越強(qiáng) 相同流速下不易發(fā)展成湍流狀態(tài) 高粘度流體 油類(lèi) 多處于層流狀態(tài) h較小 對(duì)自然對(duì)流換熱有很大影響 影響重力場(chǎng)中因密度差而產(chǎn)生的浮升力大小 體積膨脹系數(shù) 5 換熱表面的幾何因素 換熱表面的幾何形狀 尺寸 相對(duì)位置 表面狀態(tài) 光滑或粗糙 等 對(duì)對(duì)流換熱有顯著影響 影響流態(tài) 速度分布 溫度分布 特征長(zhǎng)度 對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流換熱 對(duì)自然對(duì)流換熱 浮升力項(xiàng)包含的因子 5 1 3對(duì)流傳熱的研究方法 1 分析法 指對(duì)描寫(xiě)某一類(lèi)對(duì)流傳熱問(wèn)題的偏微分方程及定解條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解 從而獲得速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析解 可得出精確解或近似解 適用簡(jiǎn)單問(wèn)題 2 數(shù)值法 對(duì)對(duì)流換熱過(guò)程的特征和主要參數(shù)變化趨勢(shì)作出預(yù)測(cè) 3 實(shí)驗(yàn)法 相似原理和量綱分析理論 4 比擬法 利用流體動(dòng)量傳遞和熱量傳遞的相似機(jī)理 建立表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系 5 1 4如何從解得的溫度場(chǎng)計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 換熱微分方程 固體壁面處局部熱流密度 又由牛頓冷卻公式 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 流體的導(dǎo)熱系數(shù) 5 2對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述 對(duì)流傳熱問(wèn)題完整的數(shù)學(xué)描述 1 連續(xù)性方程 根據(jù)微元體的質(zhì)量守恒導(dǎo)出 設(shè)速度分布 二維流動(dòng) 5 2 1對(duì)流傳熱的微分方程組 根據(jù)微元體的動(dòng)量守恒導(dǎo)出 2 動(dòng)量微分方程 Navier Stokes方程 x方向 y方向 強(qiáng)迫對(duì)流換熱 忽略重力項(xiàng) 自然對(duì)流換熱 浮升力起重要作用 3 能量微分方程 根據(jù)微元體的能量守恒導(dǎo)出 若流體靜止 或 導(dǎo)熱微分方程 對(duì)流換熱微分方程組 含有未知量 適用條件 自然對(duì)流 強(qiáng)迫對(duì)流換熱 層流 湍流換熱 1 幾何條件 對(duì)流換熱表面的幾何形狀 尺寸 壁面與流體的相對(duì)位置 壁面粗糙度 2 物理?xiàng)l件 流體的物理性質(zhì) 有無(wú)內(nèi)熱源 3 時(shí)間條件 對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間上的特點(diǎn) 穩(wěn)態(tài)換熱 無(wú)初始條件非穩(wěn)態(tài)換熱 初始時(shí)刻的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng) 5 2 1對(duì)流傳熱的定解條件 4 邊界條件 說(shuō)明對(duì)流換熱邊界上的狀態(tài) 邊界上速度分布 溫度分布及與周?chē)h(huán)境之間的相互作用 第一類(lèi)邊界條件 恒壁溫邊界條件 ConstanttempB C 第二類(lèi)邊界條件 恒熱流邊界條件 ConstantheatrateB C 1904年 德國(guó)科學(xué)家普朗特提出著名的邊界層概念 5 3 1流動(dòng)邊界層 Velocityboundarylayer 舉例 流體平行外掠平板的強(qiáng)迫對(duì)流換熱 邊界層特點(diǎn) l 5 3邊界層對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描寫(xiě) 流場(chǎng)分區(qū) 邊界層區(qū) 速度梯度大 粘性力不能忽略 粘性力與慣性力處同一數(shù)量級(jí) 動(dòng)量交換的主要區(qū)域 用動(dòng)量微分方程描述 主流區(qū) 速度梯度趨于零 粘性力忽略不計(jì) 流體可近似為理想流體 用理想流體的歐拉方程描述 掠過(guò)平板時(shí)邊界層的形成和發(fā)展 層流邊界層過(guò)渡區(qū)湍流邊界層 層流底層 Laminarsublayer 緩沖層 bufferlayer 湍流核心區(qū) Turbulentregion 轉(zhuǎn)戾點(diǎn) 湍流邊界層的三層結(jié)構(gòu)模型 外掠平板 5 3 2熱邊界層 Thermalboundarylayer 1921年 波爾豪森提出 熱邊界層厚度 t 溫度場(chǎng)分區(qū) 熱邊界層區(qū) 存在溫度梯度 發(fā)生熱量傳遞的主要區(qū) 溫度場(chǎng)由能量微分方程描述 主流區(qū) 溫度梯度不計(jì) 近似等溫流動(dòng) 3 熱邊界層和流動(dòng)邊界層的關(guān)系 流動(dòng)中流體溫度分布受速度分布影響 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化趨勢(shì) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 導(dǎo)熱 對(duì)流 導(dǎo)熱 導(dǎo)熱熱阻增大 擾動(dòng) 熱阻增大 普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr 定義 物理意義 流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力之比 對(duì)層流邊界層 若熱邊界層和流動(dòng)邊界層從平板前緣點(diǎn)同時(shí)發(fā)展 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 對(duì)常見(jiàn)流體 Pr范圍0 6 4000之間 液態(tài)金屬0 05氣體0 6 0 8油102 103 邊界層特點(diǎn) 邊界層厚度 l t l 流場(chǎng)劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū) 邊界層有層流邊界層和湍流邊界層 湍流邊界層分為層流底層 緩沖層和湍流核心區(qū)三層 層流邊界層和層流底層 熱量傳遞主要靠導(dǎo)熱 湍流邊界層的主要熱阻在層流底層 5 3 3邊界層內(nèi)對(duì)流換熱微分方程組的簡(jiǎn)化 分析對(duì)象 常物性 無(wú)內(nèi)熱源 不可壓縮牛頓流體 二維對(duì)流換熱 對(duì)流換熱微分方程組 對(duì)穩(wěn)態(tài) 忽略重力場(chǎng) 二維強(qiáng)迫對(duì)流換熱 邊界層內(nèi)簡(jiǎn)化對(duì)流換熱方程組介紹 首先確定 從而 且 連續(xù)性方程 數(shù)量級(jí)分析 動(dòng)量微分方程 可忽略 能量微分方程 邊界層內(nèi)對(duì)流換熱微分方程組 邊界層外伯努利方程 未知數(shù) t 可求溫度分布 換熱方程 求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 2 對(duì)流換熱邊界層微分方程組是否適用于粘度很大的油和Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬 在流體溫度邊界層中 何處溫度梯度的絕對(duì)值最大 為什么 5 4流體外掠等溫平壁層流對(duì)流傳熱分析解簡(jiǎn)介 邊界層傳熱微分方程組 適用于符合邊界層性質(zhì)場(chǎng)合 簡(jiǎn)單情況 不適于管內(nèi)流動(dòng) 對(duì)外掠等溫平壁層流對(duì)流換熱 2 摩擦系數(shù) 局部摩擦系數(shù) 平均摩擦系數(shù) 5 4 1速度場(chǎng)求解結(jié)果 1 流