版6傳熱學(xué)1對流換熱

1、傳熱學(xué)Heat transfer張能源與動力學(xué)院Lecture 6Chapter 4 Theoretical Foundation ofConvective Heat Transfer第四章對流換熱的理論基礎(chǔ)Focus of This Lectureü 對流換熱過程的熱量傳遞本講要點ü 對流換熱數(shù)學(xué)模型ü 影響對流換熱的主要因素ü 對流換熱理論的4-1 對流換熱概述p Reviewp 對流和對流換熱n 對流（convection），流體中溫度不同的各部分之間，由于相對的宏觀運動而把熱量 從一處遷移至另一處的過程一種基本的傳熱方式熱對流必然同時伴隨著熱傳導(dǎo)

2、難以孤立作用對流換熱：流體與固體壁間的換熱相對運動時對流換熱：流體與固體壁間的換熱：熱對流；對流換熱p 對流換熱與熱對流的概念不同不是基本傳熱方式 一、對流換熱過程熱量傳遞的機(jī)理p 加熱表面的熱量如何傳遞至貼壁流體層?p 熱量自貼壁流體層如何傳遞至內(nèi)部流體層?q以流體外掠等溫平板為例n 對流換熱時，流體和壁面間傳遞的熱量是通過貼壁流體沿壁面法線方向?qū)岫鴮崿F(xiàn)的(為什么?)qn 對流換熱時，流體和壁面間傳遞的熱量是通過貼壁流體沿壁面法線方向?qū)岫鴮崿F(xiàn)的(為什么?) 速度邊界層 特征？p 固體壁面對流體的吸附作用，使得壁面上的流體處于無滑移的狀態(tài)p 流體相互之間的擴(kuò)散和相互之間的吸引造成流體之間的

3、相互牽制-黏性力。n 當(dāng)熱量通過導(dǎo)熱自壁面?zhèn)魅肓黧w后，一部分被運動的流體帶向下游熱對流；另一部分則通過導(dǎo)熱傳向離壁面稍遠(yuǎn)的流體層熱擴(kuò)散熱對流熱擴(kuò)散沿壁面法線方向，流體中的溫度變化趨勢如何？Tf熱擴(kuò)散熱對流Tw- 熱邊界層概念(thermal boundary layer)某個界面，從壁面?zhèn)鬟f到流體中的熱量已經(jīng)全部為 著的流體帶走，使該處垂直于壁面方向的流體中的溫度變化率接近于零 u¥ , T¥convection貼壁流體薄層qconductio q二、冷卻公式表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系數(shù)）q = Fh( T- T) =wfAq研討1熱流的方向性如何體現(xiàn)？冷卻公式能否體現(xiàn)對流換

4、熱的內(nèi)在機(jī)制？q = Fh( T- T) =wfA方向性體現(xiàn)？在物理概念上著較大的區(qū)別，這一差異體現(xiàn)在熱量傳遞的方向性上 ！定義：熱流方向自流體向壁面定義：熱流方向自壁面向流體=h ( Tf-w )T=h ( Tw-f )T對于特定的坐標(biāo)系定義，邊界上熱流方向和坐標(biāo)方向一致！- l ¶T(L,t ) = h2T(L,t ) -Tf 2 ¶xh1 Tf 1h T-T(0,t ) = -l ¶T(0,t )1f 1¶xh2 Tf 2所有影響因素歸結(jié)在對流換熱系數(shù)中對流換熱系數(shù)h過程量，對流換熱理論的內(nèi)容形式簡單，內(nèi)涵復(fù)雜 未能揭示出對流換熱的機(jī)理q = Fh

5、( T- T) =wfA三、對流換熱的影響因素影響對流換熱的因素眾多、復(fù)雜起因（cause of flow）(1)p 強(qiáng)制對流：由外力(如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭)作用(forced convection)所產(chǎn)生的p 自然對流：流體因各部分溫度不同而引起的密度(natural convection)差異所產(chǎn)生的>h 強(qiáng)制自h 然(2)狀態(tài)（status of flow）Reynolds圓管實驗（1883）Laminar flowTransitional flowTurbulent flowh湍流 > h層流研討2數(shù)的物理意義？p 流體的慣性力與黏性力之比urlul ru 2R=em= u

6、nml(3) 流體有無相變（phase change）hp 單相流體對流換熱(single phase)p 相變對流換熱：凝結(jié)、沸騰等n 物質(zhì)發(fā)生相變時，結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致相變潛熱， 對有相變的對流換熱起著十分重要的作用。相變 > h單相(4) 換熱表面的幾何因素p 內(nèi)部T ¥ ,¥up 外掠曲面p 外掠平壁(5) 流體的熱物理性質(zhì)lW(m×o C)熱導(dǎo)率3r kgm密度Jg(k×o C)比熱容 c動力黏度運動黏度n2m2 m Nm =r×sKms b1體脹系數(shù)。影響流體的及其換熱能力Summary影響對流換熱的因素眾多、復(fù)雜)歸一化：所有影

7、響因素歸結(jié)在對流換熱系數(shù)中對流換熱系數(shù)h過程量，對流換熱理論的內(nèi)容f =, vwT,l ,f Tr b, mp c ,l ,四、對流換熱的分類樹外掠平壁外部外掠曲壁強(qiáng)迫對流內(nèi)部重點無相變混合對流對流換熱大空間自然對流有限空間自然對流大容器沸騰管內(nèi)沸騰管外凝結(jié)管內(nèi)凝結(jié)自然對流沸騰換熱有相變凝結(jié)換熱學(xué)習(xí)中要特別關(guān)注每一種類型對流換熱的物理過程特征p 流體在管內(nèi)對流換熱與外掠對流換熱的特征有何差異？導(dǎo)致這種差異的機(jī)理？p 內(nèi)部T ¥ ,¥up 外掠研究性學(xué)習(xí) 若流體以相同的速度流過平板、兩平板的夾層通道。試分析：相對于流體外掠平板，在夾層通道進(jìn)口段的速度邊界層厚度增長，快/慢/相

8、同？T¥ ,u¥學(xué)習(xí)中要特別關(guān)注每一種類型對流換熱的物理過程特征p 流體外掠平壁對流換熱與外掠曲面對流換熱的特征有何差異？導(dǎo)致這種差異的機(jī)理？T ¥ ,¥up 外掠曲面p 外掠平壁學(xué)習(xí)中要特別關(guān)注每一種類型對流換熱的物理過程特征p 流體強(qiáng)迫對流換熱與自然對流換熱的特征有何差異？導(dǎo)致這種差異的機(jī)理？p 強(qiáng)迫對流換熱p 自然對流換熱p 研究對流換熱的（1） 分析法（2） 實驗法（3） 比擬法（4） 數(shù)值法各類的特點和應(yīng)用4-2 對流換熱過程的數(shù)學(xué)描寫一、對流換熱系數(shù)的一般表達(dá)式的提出h表面對流換熱系數(shù)與流體溫度分布之間什么樣的？q對流換熱系數(shù)與流體溫度場式根

9、據(jù)對流換熱機(jī)理：根據(jù)對流換熱定義：æ ¶T ö-lç ¶y ÷, =xqw=h(xqwT-Tw¥ )x,èøw,xh=-læ ¶T öW (m2KxT-T ç ¶y ÷w¥ èøw , xq例題4-1已知溫度為T¥的流體，外掠平壁在距前緣x位置處的壁面附近溫度分布為T ( y) = A - By - Cy 2A、B和C均為常數(shù)。試求局部對流換熱系數(shù)。-l ¶T- l(-B + 2Cy) y=0&#

10、182;y= lBy=0h =Tw -T¥A - T¥( A - By - Cy2 ) y=0 - T¥h（T- T ）= -læ ¶T öxw¥ç ¶y ÷èøw, xxhx 取決于流體熱導(dǎo)率、溫度差和貼壁流體的溫度梯度溫度梯度或溫度場取決于流體熱物性、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。狀況、速度場和溫度場由對流換熱微分方程組確定： 連續(xù)性方程、動量方程、能量方程 h =-læ ¶T öxT- T ç ¶y ÷w&

11、#165; èøw ,二、對流換熱過程方程組1、Review：流體力學(xué)知識p 質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）p 動量守恒方程以二維為例(1)質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）流體的連續(xù)遵循質(zhì)量守恒規(guī)律從流場中 (x, y) 處取出邊長為 dx、dy 的體時間內(nèi)、沿x軸m方向、經(jīng)dy·1表面流入體的質(zhì)量m= rudymxmx m= rudymx+dxx時間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)mdy·1表面流出體的質(zhì)量=m¶mx dxx+dxx+ ¶xm y = rx vd+ =m¶mx dxx dxx+ ¶x=m¶my dyy +dyy

12、+ ¶y¶mxm= rudy=+ ¶xmmdxx+dxxx時間內(nèi)、沿 x 軸方向流入體的凈質(zhì)量m時間內(nèi)、沿 y 軸方向流入體的凈質(zhì)量m- m=¶my dy=¶( rv )dxyy+dy-dy¶y¶y=¶mx dx=¶( ru )dx- -dy¶x¶x¶mxm= rudy=+ ¶xmmdxx+dxxx體內(nèi)流體質(zhì)量的變化:時間內(nèi)¶( rdydx )= ¶r ddxy¶t¶t體內(nèi)流體質(zhì)量守恒：時間內(nèi)體的凈質(zhì)量 =流入體內(nèi)流體質(zhì)量的變

13、化- ¶( ru )¶( rv )¶rdydx -ddxy = ¶t dydx¶x¶y二維連續(xù)性方程¶r + ¶( ru ) + ¶( rv )= 0¶t¶x¶y(2)動量守恒方程流體的連續(xù)第二運動定律：遵循動量守恒規(guī)律p 作用在動量的變化率流體體上各外力的總和等于體中流體動量 (momentum) 有方向性 ！r × dxdy ×1作用力 = 質(zhì)量 ´Du =（ ¶u + u ¶u + v ¶u )Dtt¶

14、;¶x¶y Dv =（ ¶v + u ¶v + v ¶v )Dtt¶¶x¶y度（F=ma）體受力p 體積力：重力、離心力、電磁力p 表面力：黏性引起的切向應(yīng)力 tij法向應(yīng)力 si假設(shè)（確定表面應(yīng)力與變形率的本構(gòu)）型流體s=æ- pm-¢ ¶ukm ö+æ ¶ui+ ¶u j öijçd÷ ijç÷è¶xk øç ¶x j¶xi÷

15、;èø動量微分方程 Navier-Stokes方程（N-S方程）(1) 慣性項（ma）；(2) 體積力；(3) (4) 黏性力梯度；= gr xFy = r只有重力場時F：x;ygr¶u¶u¶u¶p¶ 2u¶ 2u（+ u+ v)=F-+ m(+)¶t¶x¶yx¶x¶x2¶y 2r¶v¶v¶v¶p¶ 2v¶ 2v（+ u+ v)=F-+ m(+)¶t¶x¶yy

16、2;y¶x2¶y 2(1)(2)(3)(4)(3)能量守恒方程流體的連續(xù)遵循能量守恒規(guī)律p Review：導(dǎo)熱微分方程的建立能量守恒分析p 與導(dǎo)熱相比在能量分析上的差異！ 導(dǎo)入與導(dǎo)出凈熱量+ 內(nèi)熱源發(fā)熱量= 熱力學(xué)能的增加yFzFxFz+dzFyFgen=qvdVFx+dxFy+dp 主要差異之1：通過ql,y+dy體界面的熱量方式ql,y+dyqh,y+dyql,xqh,xql,x+dxh,x+dxqql,xl,x+dxqql,y單純的導(dǎo)熱唯一的導(dǎo)熱方式ql,yqh,y除了導(dǎo)熱方式還有熱對流方式：x= rucpTq qh,h , y = ruc p Tp 主要差異之2：流

17、體體表面力作功表面力使流移產(chǎn)生摩擦功而轉(zhuǎn)變成的熱能黏性耗散(viscous dissipation)p 可忽略不計n 低速n 低數(shù)流體數(shù)PrPrandtl numberPr = na體的能量守恒 (忽略黏性耗散)(1) 以導(dǎo)熱方式進(jìn)出體的凈能量：(2) 以對流方式進(jìn)出體的凈能量：(3)時間內(nèi)、體熱力學(xué)能的增量：DU = mc¶T = rdxdyc¶T = rc¶T dxdyp ¶tp ¶tp ¶tF¢¢ = -rc¶(uT ) dxdy - rc¶(vT ) dydxp¶xp¶

18、;yF¢ = l ¶2T¶2T¶x2dxdy + l ¶y2dydx能量微分方程式（常物性、無內(nèi)熱源、二維、不可壓縮流體）柱坐標(biāo)下的能量微分方程式（常物性、無內(nèi)熱源、二維、不可壓縮流體）rc æ ¶T + u ¶T + v ¶T ö = 1 ¶ æ rl ¶T ö + ¶ æ l ¶T öp ç ¶t¶xr¶÷r ¶ç¶r÷¶ xç¶x ÷èøèrøèøræ ¶T +¶T +¶T ö =l æ ¶ 2T +¶ 2T öcp çuv÷ç l 22 ÷è ¶t¶x¶y øç ¶x¶y÷&#