傳熱學(xué)第5章-對流換熱的理論基礎(chǔ)課件

1、內(nèi)容要求:對流換熱概說；對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描述；邊界層對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描寫；流體外掠平板傳熱層流分析解及比擬理論。第 5 章 對流傳熱的理論基礎(chǔ) 2. 對流換熱（Convection heat transfer）: 流體流過另一個物體表面時， 對流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的 熱量傳遞現(xiàn)象。 1. 對流（Convection）： 是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時，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 對流傳熱概說 5.1.1 對流傳熱的基本概念和計(jì)算公式 3. 牛頓冷卻公式 （Newtons law of cooling）式中： tw 固體表面的平均溫度。 tf 流體溫

2、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 （各種形狀槽道內(nèi)的流動） tf 為流體的平均溫度。 d管內(nèi)流動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) 局部對流換熱時局部熱流密度： 整個換熱物體表面的總對流換熱量： 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：tw-tf=Const對流換熱的核心問題 歸納起來，主要有以下五方面： 流動的成因（自然對流, 強(qiáng)制對流） 流動的流動狀態(tài)（層流, 紊流） 換熱時物體有無相變（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 對流換熱是流體的導(dǎo)熱和熱對流兩種基本方式 共同作用的結(jié)果

3、。因此凡是影響流體導(dǎo)熱和對流 的因素都將對對流換熱產(chǎn)生影響。 5.1.2 對流傳熱的影響因素 1. 流動的起因 強(qiáng)迫對流，自然對流。 流動的起因不同，流體內(nèi)的速度分布，溫度 分布不同，對流換熱的規(guī)律也不同。強(qiáng)迫對流 空氣h：自然對流 自然對流：由于流體內(nèi)部的密度差產(chǎn)生的流動。 強(qiáng)迫對流：流體在泵，風(fēng)機(jī)或其他外部動力作 用下產(chǎn)生的流動。 2. 流動的流動狀態(tài) 層流流動，湍流流動。 層流 (Laminar flow)： 流速緩慢； 沿軸線或平行于壁面作規(guī)則分層流動； 熱量傳遞：主要靠導(dǎo)熱（垂直于流動方向） 湍流 (Turbulent flow)： 流體內(nèi)部存在強(qiáng)烈脈動和旋渦運(yùn)動； 各部分流體之間迅

4、速混合； 熱量傳遞：主要靠對流 。 湍流邊界層 層流底層：導(dǎo)熱 湍流核心區(qū)：對流導(dǎo)熱對流 3. 流體有無相變Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling waterCondensation of water vapour on the outer surface of a cold water pipe 有相變 沸騰換熱，凝結(jié)換熱。 流體發(fā)生相變時的換熱規(guī)律及強(qiáng)度和單相流 體不同。 4. 流體的熱物理性質(zhì)對對流換熱的強(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

5、熱容量的大小。 導(dǎo)熱系數(shù)：影響流體內(nèi)部的熱量傳遞過程和溫度分布；越大，導(dǎo)熱熱阻越小，對流換熱越強(qiáng)烈。常溫下：空氣水常溫下：空氣水水的換熱能力遠(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）多處于層流狀態(tài)，h較小。 對自然對流換熱有很大影響； 影響重力場中因密度差而產(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，相對位置， 表面狀態(tài)（光滑或粗糙）等。 對對流換熱有顯著影響； 影響流態(tài)，速度分布，溫度分布。d管內(nèi)流動特征長度總結(jié)影響對流換熱的因素： 對強(qiáng)迫

6、對流換熱： 對自然對流換熱：浮升力項(xiàng)包含的因子定性溫度用來確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度。例如：流體的平均溫度； 流體與壁面溫度的算術(shù)平均值等。特征長度代表幾何因素對換熱的影響。例如：管內(nèi)換熱以內(nèi)徑為特征長度； 沿平板流動以流動方向的尺寸為特征長度等。5.1.3 對流傳熱的研究方法 1. 分析法： 指對描寫某一類對流傳熱問題的偏微分方程及定解 條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，從而獲得速度場和溫度場的分析解。 可得出精確解或近似解。適用簡單問題。2. 數(shù)值法： 對對流換熱過程的特征和主要參數(shù)變化趨勢作出預(yù)測。3. 實(shí)驗(yàn)法； 相似原理和量綱分析理論。4. 比擬法： 利用流體動量傳遞和熱量傳遞的相似機(jī)理，建立 表面?zhèn)鳠嵯?/p>

7、數(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 對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描述 對流傳熱問題完整的數(shù)學(xué)描述： 假設(shè) 二維對流換熱； 流體為不可壓縮，牛頓流體 ； 物性參數(shù)為常數(shù)，無內(nèi)熱源； 忽略粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱。 對流傳熱微分方程組定解條件 +質(zhì)量守恒方程動量守恒方程能量守恒方程 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： 5.2.1 對流傳熱的微分方程組 1823年,Navier(法) 1845年,Stokes(英) 根據(jù)微元

8、體的動量守恒導(dǎo)出。 2. 動量微分方程（Navier-Stokes方程）慣性力體積力壓力梯度粘性力 x方向： y方向：說明只有重力場作用時 強(qiáng)迫對流換熱：忽略重力項(xiàng)； 自然對流換熱：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。非穩(wěn)態(tài)項(xiàng) 對流項(xiàng) 若流體靜止：或：導(dǎo)熱微分方程 導(dǎo)熱項(xiàng) 對流換熱微分方程組： 含有未知量： 適用條件：自然對流，強(qiáng)迫對流換熱； 層流，湍流換熱。1. 幾何條件： 對流換熱表面的幾何形狀，尺寸，壁面與 流體的相對位置，壁面粗糙度。2. 物理?xiàng)l件： 流體的物理性質(zhì)（）, 有無內(nèi)熱源。3. 時間條件： 對流換熱過程進(jìn)行的時間上的特點(diǎn)。 穩(wěn)態(tài)換熱：無初始條件

9、 非穩(wěn)態(tài)換熱：初始時刻的速度場和溫度場。 5.2.1 對流傳熱的定解條件4. 邊界條件： 說明對流換熱邊界上的狀態(tài)（邊界上速度分布， 溫度分布及與周圍環(huán)境之間的相互作用）。 第一類邊界條件： 恒壁溫邊界條件（Constant temp B.C） 第二類邊界條件： 恒熱流邊界條件（Constant heat rate B.C）對比導(dǎo)熱的 邊界條件 1904年，德國科學(xué)家普朗特提出著名的 邊界層概念。5.3.1 流動邊界層 (Velocity boundary layer) 舉例：流體平行外掠平板的強(qiáng)迫對流換熱。邊界層特點(diǎn) l5.3 邊界層對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描寫 流場分區(qū)： 邊界層區(qū)： 速度梯度大

10、，粘性力不能忽略； 粘性力與慣性力處同一數(shù)量級； 動量交換的主要區(qū)域，用動量微分方程描述。 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。 掠過平板時邊界層的形成和發(fā)展： 層流邊界層 過渡區(qū) 湍流邊界層 層流底層 (Laminar sublayer) 緩沖層 (buffer layer) 湍流核心區(qū) (Turbulent region)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 (Thermal boundary layer) 1921年，波爾豪森提出。 熱邊界層厚度t ： 溫度場分區(qū)： 熱邊界層區(qū)： 存在溫度梯度，發(fā)生熱量

11、傳遞的主要區(qū)； 溫度場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。 3. 熱邊界層和流動邊界層的關(guān)系 流動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。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)導(dǎo)熱對流導(dǎo)熱導(dǎo)熱熱阻增大擾動熱阻增大 普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr 定義： 物理意義： 流體的動量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力之比。 對層流邊界層，若熱邊界層和流動邊界層 從平板前緣點(diǎn)同時發(fā)展： 當(dāng) 時， 當(dāng) 時， 當(dāng) 時， 對常見流體，Pr范圍 0.64000 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, ; tl,; 流場劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū); 邊界層有層流邊界層和湍流邊界層,

12、 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)對流換熱微分方程組的簡化 分析對象：常物性，無內(nèi)熱源，不可壓縮 牛頓流體，二維對流換熱： 對流換熱微分方程組 對穩(wěn)態(tài)，忽略重力場，二維強(qiáng)迫對流換熱： 邊界層內(nèi)簡化對流換熱方程組介紹： 首先確定： 從而： 且： 連續(xù)性方程：數(shù)量級分析 動量微分方程：可忽略 能量微分方程： 邊界層內(nèi)對流換熱微分方程組： 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 的絕對值最大？為什么？5.4 流體外掠等溫平壁層流對流傳熱分析解簡介 邊界層傳熱微分方程組: 適用于符合邊界層性質(zhì)場合, 簡單情況; 不適于管內(nèi)流動。 對外掠等溫平壁 層流對流換熱 2. 摩擦系數(shù)： 局部摩擦系數(shù)： 平均摩擦系數(shù)：5.4.1 速度場求解結(jié)果