對(duì)流傳熱原理

1、1航空工程學(xué)院發(fā)動(dòng)機(jī)系航空工程學(xué)院發(fā)動(dòng)機(jī)系流動(dòng)流體與所接觸的物體表面之間由于溫流動(dòng)流體與所接觸的物體表面之間由于溫度差而引起的熱量傳遞稱為度差而引起的熱量傳遞稱為（表面）對(duì)流（表面）對(duì)流傳熱。傳熱。按流體有無(wú)相變按流體有無(wú)相變 按流體流動(dòng)起因按流體流動(dòng)起因按流體流動(dòng)狀態(tài)按流體流動(dòng)狀態(tài)25.15.1 概述概述層流對(duì)流傳熱層流對(duì)流傳熱湍流對(duì)流傳熱湍流對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱強(qiáng)迫對(duì)流傳熱強(qiáng)迫對(duì)流傳熱單相對(duì)流傳熱單相對(duì)流傳熱相變對(duì)流傳熱相變對(duì)流傳熱凝結(jié)，沸騰凝結(jié)，沸騰 基本公式基本公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式流體與壁面的溫差流體與壁面的溫差對(duì)流傳熱面積對(duì)流傳熱面積對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)熱阻熱

2、阻5.15.1 概述概述hA t 1hRhAhAt對(duì)流傳熱系數(shù)及其影響因素對(duì)流傳熱系數(shù)及其影響因素對(duì)流傳熱系數(shù)是一個(gè)表征對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的對(duì)流傳熱系數(shù)是一個(gè)表征對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的非物性非物性參數(shù)參數(shù)，定義式為：，定義式為：如何確定如何確定h h及增強(qiáng)換熱的措施是對(duì)流換熱的核心問(wèn)題及增強(qiáng)換熱的措施是對(duì)流換熱的核心問(wèn)題影響因素：影響因素：1. 1. 流動(dòng)起因流動(dòng)起因強(qiáng)迫對(duì)流強(qiáng)迫對(duì)流自然對(duì)流自然對(duì)流5.15.1 概述概述qht2. 2. 流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)層流層流整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線湍流湍流流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)3. 3. 有無(wú)相變有無(wú)相變單相

3、依靠顯熱實(shí)現(xiàn)傳熱單相依靠顯熱實(shí)現(xiàn)傳熱相變依靠潛熱實(shí)現(xiàn)傳熱相變依靠潛熱實(shí)現(xiàn)傳熱4. 4. 流體物性流體物性熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率流體與壁面間導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流傳熱越強(qiáng)流體與壁面間導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流傳熱越強(qiáng)定壓比熱定壓比熱單位體積流體能攜帶更多能量單位體積流體能攜帶更多能量密度密度單位體積流體能攜帶更多能量單位體積流體能攜帶更多能量動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度阻礙流體流動(dòng)，不利于對(duì)流阻礙流體流動(dòng)，不利于對(duì)流體脹系數(shù)體脹系數(shù)使自然對(duì)流換熱增強(qiáng)使自然對(duì)流換熱增強(qiáng)5.15.1 概述概述5. 5. 幾何因素幾何因素5.15.1 概述概述研究對(duì)流傳熱的方法：研究對(duì)流傳熱的方法：1. 1.分析解法分析解法 數(shù)量級(jí)分析法數(shù)量級(jí)分析法

4、 積分近似解法積分近似解法2. 2.數(shù)值解法數(shù)值解法3. 3.比擬法比擬法4. 4.相似原理指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)法相似原理指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)法5.15.1 概述概述5.25.2 邊界層概念邊界層概念流動(dòng)邊界層流動(dòng)邊界層由于粘性作用，流體流速在靠近壁面處隨離壁面的距由于粘性作用，流體流速在靠近壁面處隨離壁面的距離的縮短而逐漸降低，在貼壁處被滯止，處于無(wú)滑移狀離的縮短而逐漸降低，在貼壁處被滯止，處于無(wú)滑移狀態(tài)。這種固體壁面附近流體速度變化劇烈的薄層稱為流態(tài)。這種固體壁面附近流體速度變化劇烈的薄層稱為流動(dòng)邊界層或速度邊界層。動(dòng)邊界層或速度邊界層。uy由牛頓粘性定律：由牛頓粘性定律：動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度 Pa.sPa.

5、s流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)： 邊界層區(qū)邊界層區(qū)與與主流區(qū)主流區(qū)5.25.2 邊界層概念邊界層概念流體掠過(guò)等溫平壁時(shí)流動(dòng)邊界層的形成和發(fā)展：流體掠過(guò)等溫平壁時(shí)流動(dòng)邊界層的形成和發(fā)展：層流邊界層層流邊界層 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) 湍流邊界層湍流邊界層層流底層：緊靠壁面處，粘滯力會(huì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使粘附于壁面層流底層：緊靠壁面處，粘滯力會(huì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使粘附于壁面的一極薄層仍然會(huì)保持層流特征，具有最大的速度梯度的一極薄層仍然會(huì)保持層流特征，具有最大的速度梯度湍流核心區(qū)湍流核心區(qū)層流底層層流底層5.25.2 邊界層概念邊界層概念層流向湍流轉(zhuǎn)捩的定量判據(jù)層流向湍流轉(zhuǎn)捩的定量判據(jù)雷諾數(shù)（雷諾數(shù)（Reyn

6、oldsReynolds）定義式：定義式：Rec cc ccu lu l慣性力慣性力粘性力粘性力cucl密度密度特征流速特征流速特征尺寸特征尺寸運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度5Re5 10c 掠過(guò)等溫平壁時(shí)層流向湍流轉(zhuǎn)捩的臨界雷諾數(shù)：掠過(guò)等溫平壁時(shí)層流向湍流轉(zhuǎn)捩的臨界雷諾數(shù)：5.25.2 邊界層概念邊界層概念流體邊界層的特點(diǎn)：流體邊界層的特點(diǎn)： 邊界層厚度邊界層厚度 與壁的定型尺寸與壁的定型尺寸L L 相比極小，相比極小， L L 邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度 邊界層流態(tài)分層流與湍流；湍流邊界層緊靠壁面處邊界層流態(tài)分層流與湍流；湍流邊界層緊靠壁面處仍有層流特征，粘性底層（層流底層）仍

7、有層流特征，粘性底層（層流底層） 流場(chǎng)可以劃分為邊界層區(qū)與主流區(qū)流場(chǎng)可以劃分為邊界層區(qū)與主流區(qū)邊界層區(qū)：由粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述邊界層區(qū)：由粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述主流區(qū)：由理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程主流區(qū)：由理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程歐拉方程描述歐拉方程描述5.25.2 邊界層概念邊界層概念熱邊界層熱邊界層當(dāng)壁面與流體間有溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度很當(dāng)壁面與流體間有溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度很大的溫度邊界層（熱邊界層）大的溫度邊界層（熱邊界層）Tw0.99wwttttty熱邊界層厚度熱邊界層厚度5.25.2 邊界層概念邊界層概念流體掠過(guò)等溫平壁時(shí)熱邊界層的形成和發(fā)展：流體掠過(guò)等溫平壁時(shí)熱邊界層的形成和發(fā)展

8、：在層流邊界層中：熱量傳遞依靠導(dǎo)熱在層流邊界層中：熱量傳遞依靠導(dǎo)熱在湍流邊界層中：熱量傳遞依靠流體微團(tuán)的脈動(dòng)引起在湍流邊界層中：熱量傳遞依靠流體微團(tuán)的脈動(dòng)引起 的混合作用的混合作用5.25.2 邊界層概念邊界層概念熱邊界層厚度與流動(dòng)邊界層厚度的關(guān)系：熱邊界層厚度與流動(dòng)邊界層厚度的關(guān)系：（流動(dòng)邊界層和熱邊界層的狀況決定邊界層內(nèi)的熱量傳遞）（流動(dòng)邊界層和熱邊界層的狀況決定邊界層內(nèi)的熱量傳遞） 普朗特?cái)?shù)普朗特?cái)?shù)反映流動(dòng)邊界層厚度與熱邊界層反映流動(dòng)邊界層厚度與熱邊界層厚度的相對(duì)大小厚度的相對(duì)大小 常用流體的常用流體的PrPr值在值在0.640000.64000之間之間14Pra動(dòng)量擴(kuò)散能力動(dòng)量擴(kuò)散能力

9、熱量擴(kuò)散能力熱量擴(kuò)散能力5.35.3 對(duì)流傳熱微分方程組對(duì)流傳熱微分方程組對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱流體熱對(duì)流流體熱對(duì)流+ +導(dǎo)熱導(dǎo)熱還要涉及到流體的質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程，還要涉及到流體的質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程，因此對(duì)流傳熱需用一組方程描述。因此對(duì)流傳熱需用一組方程描述。方程簡(jiǎn)化：常物性，流速不高，無(wú)內(nèi)熱源，不可方程簡(jiǎn)化：常物性，流速不高，無(wú)內(nèi)熱源，不可 壓縮，牛頓型流體，二維穩(wěn)態(tài)對(duì)流傳熱壓縮，牛頓型流體，二維穩(wěn)態(tài)對(duì)流傳熱 155.35.3 對(duì)流傳熱微分方程組對(duì)流傳熱微分方程組1. 1.傳熱方程傳熱方程0 xxfytqy 粘性底層的導(dǎo)熱：粘性底層的導(dǎo)熱：牛頓冷卻公式：牛頓冷卻公式：xxwfxqhtt合并上

10、兩式：合并上兩式：0fxxwfyxthytt 5.35.3 對(duì)流傳熱微分方程組對(duì)流傳熱微分方程組2. 2. 質(zhì)量方程質(zhì)量方程3. 3. 動(dòng)量方程動(dòng)量方程4. 4. 能量方程能量方程0uvxy2222xuuupuuuvFxyxxy2222yvvvpvvuvFxyyxy2222tttttuvaxyxy5.35.3 對(duì)流傳熱微分方程組對(duì)流傳熱微分方程組 邊界層對(duì)流傳熱微分方程組邊界層對(duì)流傳熱微分方程組 將對(duì)流傳熱微分方程組應(yīng)用到邊界層內(nèi)，可以求將對(duì)流傳熱微分方程組應(yīng)用到邊界層內(nèi)，可以求解簡(jiǎn)單的對(duì)流傳熱問(wèn)題。解簡(jiǎn)單的對(duì)流傳熱問(wèn)題。例如對(duì)縱掠等溫平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱，例如對(duì)縱掠等溫平壁的穩(wěn)態(tài)傳熱， 時(shí)時(shí)，求解

11、結(jié)果為：求解結(jié)果為：5Re5 10 11230.332xu xhxa 5.45.4 特征數(shù)方程特征數(shù)方程 相似理論相似理論同類物理現(xiàn)象中，若在空間對(duì)應(yīng)的地點(diǎn)和時(shí)間同類物理現(xiàn)象中，若在空間對(duì)應(yīng)的地點(diǎn)和時(shí)間對(duì)應(yīng)的瞬間，其各對(duì)應(yīng)的物理量分別成一定比例，對(duì)應(yīng)的瞬間，其各對(duì)應(yīng)的物理量分別成一定比例，稱物理現(xiàn)象彼此相似。稱物理現(xiàn)象彼此相似。彼此相似的物理現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)的同名特征數(shù)必彼此相似的物理現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)的同名特征數(shù)必定相等。定相等。工程上實(shí)用的計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)工程上實(shí)用的計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)h h的各種公式，的各種公式，主要是通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究得到的。通過(guò)相似理論確主要是通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究得到的。通過(guò)相似理論確

12、定起主要作用的特征數(shù)，建立特征數(shù)方程，根據(jù)實(shí)定起主要作用的特征數(shù)，建立特征數(shù)方程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得相應(yīng)的參數(shù)。驗(yàn)測(cè)量獲得相應(yīng)的參數(shù)。5.45.4 特征數(shù)方程特征數(shù)方程對(duì)流傳熱常用的特征數(shù)（穩(wěn)態(tài)，單相）對(duì)流傳熱常用的特征數(shù)（穩(wěn)態(tài)，單相）1. 1. 努塞爾數(shù)努塞爾數(shù)NuNu2. 2. 雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReRe1cfcflhlNuh對(duì)流層導(dǎo)熱熱阻對(duì)流層導(dǎo)熱熱阻對(duì)流傳熱熱阻對(duì)流傳熱熱阻Rec cc cV lV l慣性力慣性力粘性力粘性力5.45.4 特征數(shù)方程特征數(shù)方程3. 3. 格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)GrGr4. 4. 普朗特?cái)?shù)普朗特?cái)?shù)PrPr32VcgtlGr浮升力浮升力 慣性力慣性力粘性力粘性力 粘性

13、力粘性力Prva動(dòng)量擴(kuò)散能力動(dòng)量擴(kuò)散能力熱量擴(kuò)散能力熱量擴(kuò)散能力5.45.4 特征數(shù)方程特征數(shù)方程對(duì)流傳熱常用特征數(shù)方程對(duì)流傳熱常用特征數(shù)方程流體流速較小，自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流共存流體流速較小，自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流共存純強(qiáng)迫對(duì)流純強(qiáng)迫對(duì)流純自然對(duì)流純自然對(duì)流統(tǒng)一形式：統(tǒng)一形式：Re,Pr,NufGrRe,PrNufPr,NufGrRe PrnmsNuCGr5.45.4 特征數(shù)方程特征數(shù)方程對(duì)流傳熱的三大特征量對(duì)流傳熱的三大特征量確定特征數(shù)中確定特征數(shù)中某些參數(shù)的量某些參數(shù)的量1. 1.特征溫度特征溫度流體溫度流體溫度熱邊界層平均溫度熱邊界層平均溫度壁面溫度壁面溫度 2. 2.特征尺寸特征尺寸3.

14、3.特征流速特征流速ctclcv5.45.4 特征數(shù)方程特征數(shù)方程 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理以穩(wěn)態(tài)單相強(qiáng)迫對(duì)流為例：以穩(wěn)態(tài)單相強(qiáng)迫對(duì)流為例：對(duì)同一流體實(shí)驗(yàn)，控制溫度，使對(duì)同一流體實(shí)驗(yàn)，控制溫度，使PrPr不變，在不同不變，在不同的的ReRe下，得到下，得到NuNu，利用對(duì)數(shù)關(guān)系確定方程中的系，利用對(duì)數(shù)關(guān)系確定方程中的系數(shù)。數(shù)。24Re,PrNufRe PrnmNuC特征數(shù)總結(jié)特征數(shù)總結(jié) 畢渥數(shù)（畢渥數(shù)（BiBi） 傅里葉數(shù)（傅里葉數(shù)（FoFo）251sslhlBih固體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻固體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻外部傳熱熱阻外部傳熱熱阻allaFo22非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)間非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)間邊界熱擾動(dòng)經(jīng)邊界熱擾動(dòng)經(jīng) 距離擴(kuò)距離擴(kuò)散到散到 面積上所需時(shí)間