東南傳熱學(xué)課件第五章_第一節(jié)

1、第五章 對(duì)流換熱對(duì)流換熱當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí)，若流體溫度與固體壁面的溫度不同，則兩者之間必然發(fā)生熱量交換，這種熱量交換過(guò)程稱為對(duì)流換熱。 對(duì)流換熱過(guò)程中交換的熱量可根據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算 牛頓冷卻公式只是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的的一個(gè)定義式，它沒(méi)有揭示出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與影響它的物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究對(duì)流換熱的任務(wù)就是要揭示這種內(nèi)在的聯(lián)系，確定計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的具體表達(dá)式。本章首先介紹對(duì)流換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描寫，并利用邊界層的概念對(duì)其作一定的簡(jiǎn)化，然后對(duì)其求解。目前，對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得，因此本章將著重介紹采用實(shí)驗(yàn)方法獲得對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式時(shí)的重要理論工具相似原理，最后介紹常見

2、的無(wú)相變對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，而有相變的對(duì)流換熱則留待下一章討論。 第一節(jié) 對(duì)流換熱概說(shuō)對(duì)流換熱的概念影響對(duì)流換熱的因素對(duì)流換熱的分類研究對(duì)流換熱的方法對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與溫度場(chǎng)的關(guān)系對(duì)流換熱的概念流體流過(guò)與其溫度不同的固體壁面時(shí)，流體與固體壁面間的熱量傳遞稱為對(duì)流換熱。 例如：人體表面與周圍空氣間的熱量傳遞；空氣與房屋墻面間的熱量傳遞；鍋爐中煙氣與受熱面間的熱量傳遞；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)燃?xì)馀c氣缸壁間的熱量傳遞；燒開水時(shí)，火焰與壺底及水與壺底間的熱量傳遞等等。 對(duì)流換熱現(xiàn)象是生活和工程中常見的熱量傳遞現(xiàn)象影響對(duì)流換熱的因素流體流動(dòng)的起因 流體有無(wú)相變 流體的流動(dòng)狀態(tài) 換熱表面的幾何因素 流體的物理

3、性質(zhì) 流動(dòng)起因?qū)Q熱的影響由于流動(dòng)起因的不同，流動(dòng)可以分為自然流動(dòng)和強(qiáng)迫流動(dòng)，與之相對(duì)應(yīng)的換熱可分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)迫對(duì)流換熱。自然流動(dòng)是由于流體中各點(diǎn)的溫度不同，從而導(dǎo)致流體中各點(diǎn)的密度不同，因而在此密度差的作用下流體產(chǎn)生的流動(dòng)。此種情況下流體與固體壁面間的換熱稱為自然對(duì)流換熱。強(qiáng)制（迫）流動(dòng)是由于外力的作用（如風(fēng)機(jī)等）而產(chǎn)生的流動(dòng)。此種情況下流體與固體壁面間的換熱稱為強(qiáng)迫對(duì)流換熱。由于兩種流動(dòng)的成因不同，流體中的速度場(chǎng)也有差異，所以換熱規(guī)律就不一樣。一般而言，強(qiáng)迫對(duì)流的換熱強(qiáng)度要大于自然對(duì)流換熱。 流體有無(wú)相變的影響對(duì)流換熱是流體在流動(dòng)過(guò)程中與固體壁面交換的熱量，所以，此時(shí)流體微團(tuán)攜帶熱量

4、的多少直接影響換熱強(qiáng)度的大小。沒(méi)有相變時(shí)流體微團(tuán)所攜帶的熱量是熱容量，因此流體與壁面的換熱量主要是流體的顯熱。在有相變的換熱過(guò)程中（如沸騰或凝結(jié)），流體相變熱（潛熱）的釋放或吸收常常起主要作用，因而換熱規(guī)律與無(wú)相變時(shí)不同。一般而言，有相變時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)大于無(wú)相變時(shí)的換熱系數(shù)。流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱的影響流體力學(xué)的研究已經(jīng)表明，粘性流體存在著兩種不同的流態(tài)層流和湍流。層流時(shí)流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)則的分層流動(dòng)，此時(shí)換熱的主要熱阻是層流邊界層的厚度。湍流時(shí)流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合，換熱主要以熱對(duì)流為主。在其他條件相同時(shí)湍流換熱的強(qiáng)度要強(qiáng)于層流。換熱表面幾何因素對(duì)換熱的影響這里的幾何因素是指換熱面的

5、形狀、大小、換熱表面與流體運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位置以及換熱面的表面狀態(tài)（光滑或粗糙）等。流體流過(guò)不同換熱面時(shí)，由于其流動(dòng)規(guī)律不同（速度分布不同），所以換熱情況也不同。演示：流體流過(guò)不同物體時(shí)的流動(dòng)狀況流體物理性質(zhì)對(duì)換熱的影響流體的物理性質(zhì)對(duì)于對(duì)流換熱有很大的影響。由于對(duì)流換熱是導(dǎo)熱和流動(dòng)著的流體微團(tuán)攜帶熱量的綜合作用，因此對(duì)流換熱強(qiáng)度與反映流體導(dǎo)熱能力的導(dǎo)熱系數(shù)、反映流體攜帶熱量能力的密度和比熱容有關(guān)。流體粘度（或運(yùn)動(dòng)粘度）的變化會(huì)引起雷諾數(shù)的變化，從而影響流體流態(tài)和流動(dòng)邊界層的厚度。體積膨脹系數(shù)影響自然對(duì)流時(shí)浮升力的大小和邊界層內(nèi)的溫度分布。因此，流體的這些物性值也都對(duì)換熱有影響。一般而言，流體導(dǎo)

6、熱系數(shù)增加、熱容量增加時(shí)，對(duì)流換熱強(qiáng)度增加；而流體粘度增加時(shí)，對(duì)流換熱強(qiáng)度會(huì)減小。 對(duì)流換熱的分類對(duì)流換熱研究方法分析法實(shí)驗(yàn)法比擬法數(shù)值法分析法 分析法是指對(duì)描寫某一類對(duì)流換熱問(wèn)題的偏微分方程及相應(yīng)的定解條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，從而獲得速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析解的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能深刻揭示各個(gè)物理量對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的依變關(guān)系，深刻理解對(duì)流換熱過(guò)程的物理性質(zhì)；缺點(diǎn)是由于數(shù)學(xué)求解的復(fù)雜性，只能求解某些定解條件簡(jiǎn)單的特定問(wèn)題。 實(shí)驗(yàn)法 即通過(guò)相似理論或量綱分析確定對(duì)流換熱系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定關(guān)聯(lián)式中的待定常數(shù)，進(jìn)而獲得對(duì)流換熱系數(shù)的準(zhǔn)則方程式。這種方法是目前獲得對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的主要方法。

7、比擬法 是指通過(guò)研究動(dòng)量傳遞及熱量傳遞的共性或類似特性，以建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系數(shù)間的相互關(guān)系的方法。應(yīng)用比擬法，可通過(guò)比較容易用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的阻力系數(shù)來(lái)獲得相應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算公式。這種方法在傳熱學(xué)發(fā)展的早期，曾廣泛用來(lái)獲得湍流換熱的計(jì)算公式。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)及計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)這一方法已較少應(yīng)用。數(shù)值法 用離散數(shù)學(xué)的方法，對(duì)描寫對(duì)流換熱問(wèn)題的偏微分方程組進(jìn)行離散，建立節(jié)點(diǎn)方程組，利用計(jì)算機(jī)求解的方法稱為數(shù)值解法。這種方法在近20多年來(lái)獲得了迅速的發(fā)展，并將會(huì)日益顯示出其重要的作用。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體溫度場(chǎng)之間的關(guān)系 當(dāng)粘性流體在壁面上流動(dòng)時(shí)，由于粘性的作用，在靠近壁面的地方流體速度逐漸減小，而在貼壁處流體將被滯止而處于無(wú)滑動(dòng)狀態(tài)。換句話說(shuō)，在貼壁處流體沒(méi)有相對(duì)于壁面的流動(dòng)，即處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于貼壁處這一極薄的流體層相對(duì)于壁面是不流動(dòng)的，而壁面與流體間的熱量傳遞必須穿過(guò)這個(gè)流體層，穿過(guò)不流動(dòng)的流體層的熱量傳遞方式只能是導(dǎo)熱。因此，對(duì)流換熱量就等于貼壁流體層的導(dǎo)熱量。壁面附近速度分布示意圖換熱方程的推導(dǎo)貼壁處流體的導(dǎo)熱量流體與壁面之間的對(duì)流換熱量穩(wěn)態(tài)換熱時(shí)兩者相等對(duì)換熱方程的說(shuō)明換熱方程將對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體的溫度場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)，不論是分析解法、數(shù)值解法還是