版10傳熱學1對流換熱a

1、傳熱學Heat transfer張能源與動力學院Lecture 10Chapter 5 Single Phase FluidConvective Heat Transfer第五章單相流體對流換熱Focus of This Lecture9自然/強迫對流換熱差異本講要點ü 強化對流換熱簡介ü 有限空間自然對流換熱ü 自然對流換熱相似特征數(shù)5-4 自然對流換熱一、概述（1）自然對流的起因度靜止的流體，與不同溫的固體壁面相接觸，熱邊界層內(nèi)、外的密度差形成浮升力（或沉降力）p 溫差固體壁面與流體的是自然對流的根本fB=(rf- gr )= rgbD研討問題1與強迫對流換熱

2、過程相比，自然對流換熱過程在邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布有何特征？導致這種差異的機理？與強迫對流換熱過程相比，描述自然對流換熱過程的方程有何差異，相似特征數(shù)是什么？樹以豎壁強迫對流和自然對流為例 y = 0 u = 0 y = 0 u = 0T= y = d u = 0wTT=wT=yuTu¥¥TT=¥Ty 導致這種差異的機理: 起因不同y =d 或dt（2） 邊界層的特征p 速度邊界層的厚度與熱邊界層的厚度相等p 速度邊界層內(nèi)速度分布在內(nèi)部呈現(xiàn)峰值p 在邊界層邊緣處，依然具有強迫對流邊界層的特點¶u = 0¶T¶p = 0= 0y&

3、#182;y¶y¶y二、自然對流換熱的數(shù)學描述(1) 豎壁上自然對流換熱邊界層微分方程組x¶u + ¶u = 0¶x¶ yr¶ 2T¶T¶T+ u=ua¶x¶y¶y 2在動量方程中，溫度差誘導作用機制?的yuæ¶ur +¶mu=ö-¶p +¶ 2uçu ¶x¶y ÷g-¶y 2èø¶xx注意到動量方程中的的特征 ¶p /

4、2; y= 0梯度項靜止流體中的受力分析pr¥g p (x)yx(+pxuæ¶ur +¶mu=ö-¶p +¶ 2uç u ¶x¶y ÷g-2èø¶x¶yu æ¶ru +r¶mu=ö(-)¶ 2uç u ÷¥g+2è¶x¶y ø¶y¶p = 0¶ydp=-r¥ g dxxp 假設：密度與溫度

5、保持線性體積膨脹系數(shù)：-1 æ ¶r öæ1¶V ö =b (= dV /)V=ç÷ç÷r è ¶T ø pèV¶T ø pdTyuæ¶ur +b¶u=ö( -)m ¶ 2uç u÷ gT¥T+2è¶x¶y ø¶yr¥ - r = -rbT( ¥ -T)u æ¶ru +

6、r¶mu=ö(-)¶ 2uç u ÷¥g+2è¶x¶y ø¶yp 流體物性除浮升力項中的密度外均為常量 Boussinesq假設xy = d ,u ® 0, u ® 0;T ® T¥ , r ® r¥yæ¶u¶u ö¶2uç u ¶x + u ¶y ÷ = gb (T - T¥ )+n ¶y2èør

7、æ¶u + u ¶u ö = r b ( -)+ m ¶ 2uç u ¶x¶y ÷gTT¥¶y 2èø(2)描述自然對流換熱的相似特征數(shù)引入無量綱參數(shù)-相似特征數(shù)推導的重要：xyX=, lY,luu=U ,u0TV,u0參考速度并無明確定義！-TfQ=-TTfw= - l æ ¶Q öl ç ¶Y ÷hxèøw, x¶U + ¶V= 0¶Y¶Xgb

8、 (Tw - Tf¶U¶U)l1 ¶2U+ V=+Re ¶Y 2U ¶X¶Y¶Qu20¶Qa ¶2Q¶2Q1+ V=U¶X¶Yu l ¶Y 2Re Pr ¶Y 20gb (Tw - Tf )læ u0l ö2gb (Tw - Tf )l3Gr =× ç÷=u2è nøn 2 0曉夫數(shù)l物理意義表征浮升力與黏性力比值的一種度量gb(Tw-Tf )æul 0lö2gb(T

9、w-Tf )3Gr =× ç÷=u2è nøn 2 0p 流態(tài)判據(jù)層流：Gr Pr < 108湍流：Gr Pr > 1010過渡區(qū)：108 < Gr Pr < 1010¶æQö=ç-¶Y N÷ uxèøw= 0,x¶U + ¶V¶X¶U¶YGr¶U1 ¶2U+ V=+U¶X¶YRe ¶Y 2Re21 ¶¶Q¶QQ2

10、+ V ¶=U ¶XP¶rY 2YRep 在自然對流中，Re不是一個的準則，而是Gr的函數(shù)，參考速度 u0 是由浮升力引起的Nu=f (Gr, Pr)Nu=f (Gr, Re, Pr)三、大空間自然對流換熱Nu = C(Gr × Pr)n = CRan ;Tw = const自然對流湍流換熱自?；F(xiàn)象注意: 對于自然對流湍流換熱,準則關聯(lián)式為:x利用該特性，湍流自然對流換熱的實驗研究可以采用的物體進行，只要求實驗現(xiàn)象的 GrPr 值處較小于湍流范圍自然對流湍流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型無關gb(T w -Tf ) 3Grx =n 2Nux= h xx =G

11、xrPr1)3l C(四、有限空間中的自然對流換熱有限空間自然對流換熱：熱由封閉的有限空間高溫壁傳到它的低溫壁的換熱過程p 靠近熱壁的流體因浮升力而向上運動，靠近體則向下的流p 有限空間中的自然對流換熱是熱壁與兩個自然對流過程的組合間（1） 豎直夾層p 夾層厚度與高度比較大(大于0.3)冷熱兩壁的自然對流邊界層互相干擾?？砂礋o限空間自然對流換熱規(guī)律分別計算冷、熱兩壁的自然對流換熱及夾層總熱阻p 夾層厚度與高度比較小(小于0.3)夾層內(nèi)冷、熱壁上兩股邊界層相互結合和影響，出現(xiàn)行程較短的環(huán)流；夾層中可能有若干個環(huán)流（2）水平夾層p 熱面在上冷熱面之間無導熱問題分析發(fā)生；若無外界擾動，則應按p 熱面

12、在下Grd<1700，自然對流難以形成，可按導熱問題分析Grd>1700 ，形成相互交替上升和下降的對流，呈現(xiàn)有序的蜂窩狀分布的環(huán)流；Grd>5000 ，蜂窩狀分布的環(huán)流消失，出現(xiàn)湍流研討問題2與固體導熱系數(shù)的測量相比，測量氣體導熱系數(shù)將會什么樣的難點？簡要分析一下如何克服上述問題。有限空間中的自然對流換熱的計算通常把兩側的換熱用一個當量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)來表示：TwT2 夾層的熱壁和w1、溫度he 當量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W/m2K封閉夾層空間自然對流換熱準則關聯(lián)式：nh ddæö()mel+Nud=CGrPrç÷dè H ø

13、：d定性溫度：定型=Tw 1Tw2Tm2H 垂直夾層高度 m= he( Tw1-)Tw2封閉夾層的換熱強弱也用當量導熱系數(shù)表示：q = h (T)= hedl (T)= Nu()ld- T- T- TTdew1w1w1w2w2w2ldNud = lelq = le (Tw1 - T)dw2例題溫度為371，面積為 0.3´0.3m2 的鐵板，從熱處理爐中取出，水平懸掛在空氣中自然冷卻，車間內(nèi)溫 度為28，求其對流換熱的散熱量。例題有一封閉水平夾層，內(nèi)部抽氣后氣壓為30000Pa，夾層為正方形，邊長為0.5m，兩壁間距為0.04m，溫度分別為60和40，試計算兩壁間的對流換熱 量，并與未抽氣前自然對流換熱速率進行比較?；旌蠈α鲹Q熱簡介在重力場（或離心力）中，在任何非定溫的受迫對流過程中，由于流體各部分溫度的差異而出現(xiàn) 密度差 引起不同程度的自然對流p 在受迫對流換熱中，若流速和動量轉移率很大，則自然對流換熱的以忽略p 若密度差很大，則浮升力（或離心力）引起的自然對流的能大到無需考慮受迫對流的