傳熱學(xué) 第四章 對流換熱(Convective Heat Transfer)

1、4.1、概述工程應(yīng)用背景 對流換熱：4.1、概述請千萬小心，步步都是富貴險(xiǎn)中求。殊不知多少江湖英豪；名門俠女都曾栽在這塊看似山青湖靜，實(shí)則風(fēng)陰濤涌的領(lǐng)域！摘自一網(wǎng)友的言論（作者：Eric Cho/橘皮書） 數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究理論分析h求h主要有以下基本途徑： 4.1、概述基本定律：質(zhì)量守恒、能量守恒及牛頓力學(xué)定律本章主要用的基本假設(shè)及基本定律：換熱方程對流傳熱無相變有相變混合對流強(qiáng)制對流自然對流內(nèi)部對流外部對流圓管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱其他形狀截面管道內(nèi)的對流傳熱外掠平板的對流傳熱外掠單根圓管的對流傳熱外掠圓管管束的對流傳熱外掠其他截面形狀柱體的對流傳熱射流沖擊傳熱大空間自然對流有限空間自然對流沸騰傳熱

2、凝結(jié)傳熱大容器沸騰管內(nèi)沸騰管外凝結(jié)管內(nèi)凝結(jié)對流傳熱的分類樹2 對流傳熱現(xiàn)象的分類影響對流換熱的基本因素：自然對流(Natural Convection)強(qiáng)迫對流(Forced Convection)b 流動狀態(tài) 層流(Laminar Flow) 紊流(Turbulent Flow) c 流體有無相變(Phase Change) 凝結(jié)換熱(Condensation Heat Transfer) 沸騰換熱(Boiling Heat Transfer) h影響對流換熱的基本因素：影響對流換熱的基本因素：影響對流換熱的基本因素：所依據(jù)的定律：質(zhì)量守恒定律、動量定律、能量守恒定律和傅立葉定律一、速度邊界

3、層在邊界層內(nèi)速度變化比較劇烈，會產(chǎn)生較大的粘性切應(yīng)力 對于外掠平板當(dāng)雷諾數(shù) 層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?速度邊界層的發(fā)展對于管內(nèi)流動當(dāng)雷諾數(shù) 層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?速度邊界層的發(fā)展邊界層要點(diǎn)：當(dāng)粘性流體流過固體表面時(shí)，可以將流動劃為邊界層區(qū)和主流區(qū)。邊界層的厚度與壁面尺度相比是一個(gè)非常小量。在邊界層內(nèi)流動狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊靠壁面 處仍有極薄的一層保持層流流動，稱為層流底層。當(dāng)流動發(fā)生脫體時(shí)，邊界層的概念不再適用。由量級分析可以對微分方程組進(jìn)行簡化。在邊界層內(nèi)，各物理量的的變化范圍：溫度t：坐標(biāo)x：0L主流速度u：0坐標(biāo)y：0（ ）因此，可以用代表上述各物理量的量級。由量級分析可以對微分方程

4、組進(jìn)行簡化。常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)二維平板的邊界層微分方方組為： 推論：邊界層內(nèi)任意一點(diǎn)的y方向 速度遠(yuǎn)小于x方向的速度。 y方向上的動量方程與x向 比較可以忽略。 邊界層內(nèi)沿表面法向無壓 力梯度，即 。邊界 層內(nèi)的壓力就等于邊界層 外的主流壓力。 在溫度邊界層中，沿x方向 的導(dǎo)熱可以忽略。 由量級分析可以對微分方程組進(jìn)行簡化。常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)二維平板的邊界層微分方方組為： 對于外掠平板，1908年Blasius給出了速度分布的解，1921年P(guān)ohlhausen給出了換熱系數(shù)的解：理論分析面臨的困難： 目前的數(shù)學(xué)還不能求解任意對流換熱問題。我們將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究中需要解決哪些理論問題？為

5、確定上述關(guān)系，設(shè)每個(gè)變量進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，共需6646656次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)1小時(shí)，共需46656個(gè)小時(shí)，每天工作10小時(shí)，共13年！還有其他設(shè)備尺寸等等一系列問題對流換熱微分方程組理論分析實(shí)驗(yàn)研究邊界層理論邊界層外邊界層內(nèi)伯努力方程邊界層內(nèi)微分方程組量級分析實(shí)驗(yàn)次數(shù)多實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒑蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果推廣問題量綱分析相似理論Blasius解貝克力Peclet數(shù)定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似，那么 在時(shí)間和空間的所有對應(yīng)點(diǎn)上，與物理現(xiàn)象有關(guān)的各同名 物理量之間具有各自相同的比例。同類物理現(xiàn)象具有相同的物理內(nèi)容，并能用同一微分方 程描述的物理現(xiàn)象。如果兩個(gè)物理現(xiàn)象的 微分方程的形式一樣，但物

6、理內(nèi)容不同， 就不是同類物理現(xiàn)象。說明：2、物理現(xiàn)象相似 說明：定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似，那么 在時(shí)間和空間的所有對應(yīng)點(diǎn)上，與物理現(xiàn)象有關(guān)的各同名 物理量之間具有各自相同的比例。說明：2、物理現(xiàn)象相似 時(shí)間對應(yīng)點(diǎn)是指從起始時(shí)刻起，具有 的瞬時(shí)，不是從起始時(shí)刻起具有相同時(shí)間的點(diǎn)。空間對應(yīng)點(diǎn)是指具有 點(diǎn)。顯然只有幾何 相似的體系才具有空間對應(yīng)點(diǎn)，它是物理現(xiàn) 象相似的前提 說明：定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似，那么 在時(shí)間和空間的所有對應(yīng)點(diǎn)上，與物理現(xiàn)象有關(guān)的各同名 物理量之間具有各自相同的比例。說明：2、物理現(xiàn)象相似 同名物理量是指物理意義和名稱都相同

7、的物理量。說明：定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似，那么 在時(shí)間和空間的所有對應(yīng)點(diǎn)上，與物理現(xiàn)象有關(guān)的各同名 物理量之間具有各自相同的比例。說明：2、物理現(xiàn)象相似 各物理量具有各自相同的比例是指與現(xiàn)象有關(guān)的全部物理量具有各自相同的比例，不要求所有物理量具有同一比例。如： 但是各物理量的相似比例之間存在著由描寫該現(xiàn)象的微分方程所規(guī)定的制約關(guān)系，它們的比例不能任意選取。 說明：定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似，那么 在時(shí)間和空間的所有對應(yīng)點(diǎn)上，與物理現(xiàn)象有關(guān)的各同名 物理量之間具有各自相同的比例。說明：2、物理現(xiàn)象相似 準(zhǔn)則數(shù)即無量綱數(shù)，如_對于管內(nèi)流動h的定義為

8、 或（或截面平均溫度）注意：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式不能任意推廣到該公式的實(shí)驗(yàn)(應(yīng)用)范圍以外。環(huán)型管包含了入口段的影響（旺盛紊流） 流動結(jié)構(gòu)換熱特性平均努賽爾特?cái)?shù)定性溫度：從換熱角度講，叉排要好于順排。解：分析：要確定管子的長度，想一想，哪個(gè)公式中包含與管長有關(guān)的變量。顯然 是牛頓冷卻公式。另一方面從熱平衡角度看： 流量和進(jìn)出口溫度已經(jīng)確 定，單位時(shí)間空氣的吸熱量也可以計(jì)算，在沒有熱損失的情況下，它應(yīng) 等于對流傳熱熱流。即：換熱熱流： 分析：本題也是求管長，與上一題有什么區(qū)別？ 單位時(shí)間水的吸熱量可以確定，它應(yīng)等于管子的加熱量。解：L可以求出。以下求解基本與上一題相似，注意：不考慮進(jìn)出口影響時(shí)，管內(nèi)的對流

9、換熱系數(shù)為一常數(shù)。例2：有一根厚壁不銹鋼管，內(nèi)徑為d=20mm，外徑D=40mm。通過通電對鋼管進(jìn)行加熱，提供一個(gè)均勻的熱生成率的 內(nèi)熱源。管子外表面絕熱。管內(nèi)有水流過，水的流量為 。假定水的進(jìn)口溫度為20，出口溫度為40，求管長。最高的管壁溫度在何處，為多少？ 層流時(shí)動量傳遞依靠的是分子粘性擴(kuò)散；熱量傳遞依靠的是分子的熱擴(kuò)散。它們都是在一定的勢差(速度差或溫度差)下進(jìn)行的。因此，兩者具有一定的類比性。1工程上阻力系數(shù)的數(shù)據(jù)比較豐富，是否可以用阻力系數(shù)來推算對流換熱系數(shù)？(本節(jié)的中心目的)2一、基本思想： 適用條件：Pr=1三、雷諾比擬雷諾(最初對紊流而言)認(rèn)為：跑到壁面上的流體微團(tuán)把動量交給

10、了壁面同時(shí)該微團(tuán)也實(shí)現(xiàn)了與壁面的熱交換，單位時(shí)間放出熱量THOMAS EDWARD STANTONBritish engineer1865-1931 四、柯爾朋比擬（Pr1）對于管內(nèi)流動，阻力系數(shù) f 的定義為： 則ALLAN PHILIP COLBURNAmerican Engineer1904-1955 1、一熱水淋浴器中水以一定的質(zhì)量流量在直徑為15mm的管內(nèi)流過，水的入口溫度為t=20。已知水在管內(nèi)的流動狀態(tài)已經(jīng)為充分發(fā)展的紊流，通過實(shí)驗(yàn)測得管內(nèi)流動的摩擦阻力系數(shù)f=0.0288。若管子內(nèi)壁溫恒定為60時(shí)，要求出水溫度t”=37，求管子的長度。已知水的普朗特?cái)?shù)Pr=5.45。4.10

11、自然對流換熱一、概述流動發(fā)生的原因：換熱時(shí)由于流體的溫度發(fā)生了變化，流體的密度也隨之變化，使流體中質(zhì)量力(徹體力)分布不均勻，產(chǎn)生了浮升力，導(dǎo)致流體流動。例子：12質(zhì)量力：在重力場中用 來考慮 在離心力場中用 來考慮自然對流換熱固體壁面附近的流體在浮升力作用下而產(chǎn)生的 流動與換熱。4.10 自然對流換熱一、概述應(yīng)用(1)、室內(nèi)暖氣的散熱；(2)、電子設(shè)備的冷卻；(3)、發(fā)動機(jī)的渦輪盤腔及葉片內(nèi)冷通道中的流動與換熱；(4)、煙囪、鍋爐的水循環(huán)4.10 自然對流換熱一、概述應(yīng)用Benard流動。參考文獻(xiàn)：1、【英】彼得柯文尼著 ，時(shí)間之箭揭開時(shí)間最大奧秘之科學(xué)里程，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，19952、

12、關(guān)鍵詞： Benard流動 Benard Flow4.10 自然對流換熱一、概述應(yīng)用現(xiàn)代“巴比倫通天塔”， 簡單地說這項(xiàng)工程是一個(gè)規(guī)模極為龐大的太陽能風(fēng)力發(fā)電站。它的工作原理也很簡單對流原理，即熱空氣向上升，冷空氣下降而那座高達(dá)1000米的“太陽塔”的作用則和一根煙囪的作用類似。在這根“大煙囪”的底端，是一個(gè)直徑達(dá)7000米的集熱器（如右圖），太陽對這個(gè)圓盤形狀的集熱器中的空氣加熱，然后，溫度將達(dá)到65的熱空氣從四面八方向集熱器中部的“太陽塔”匯集，形成了一個(gè)巨大的溫室。接著，由于對流效應(yīng)，熱氣流沿著“太陽塔”這根“大煙囪”以35英里每小時(shí)的高速度繼續(xù)向上升，推動“煙囪”內(nèi)部特別設(shè)計(jì)的渦輪，并

13、產(chǎn)生電力。 據(jù)英國媒體2002年9月7日披露，澳大利亞政府日決定全力支持“大型環(huán)保能源工程”的建設(shè)造一座高達(dá)1000米的“太陽塔”，這一高度將是世界上目前最高的建筑加拿大國家鐵塔CN塔的近2倍！ 。 ytxtw4.10 自然對流換熱二、流動與換熱特征ttwuytydd以大空間內(nèi)豎直平板為例，平板的溫度為tw，遠(yuǎn)離壁面 的流體溫度為t。假設(shè)tw t觀察實(shí)驗(yàn)4.10 自然對流換熱二、流動與換熱特征hx三、自然對流換熱 發(fā)生的條件有溫差；有力場；足夠的空間；熱面的位置。twyxt以大空間內(nèi)豎直平板為例，平板的溫度為tw，遠(yuǎn)離壁面的流體溫度為t。假設(shè)tw t4.10 自然對流換熱四、這是為什么？4.1

14、0 自然對流換熱五、自然對流換熱微分方程組對流換熱邊界層微分方程組twtygx4.10 自然對流換熱五、自然對流換熱微分方程組對流換熱邊界層微分方程組兩點(diǎn)注意：1、描述流體流動與換熱的微分方程組是唯一的，對不同的問題它的表現(xiàn)形式可能不一樣。2、a 的計(jì)算及量綱。4.10 自然對流換熱六、對流換熱微分方程組的無因次化溫度選取過余溫度=(tw-t)長度選取板長L速度選取/L為Grashof數(shù)，反映了在重力場中浮升力對自然對流換熱的影響特征物理量的選?。篎RANZ GRASHOF1826-1893German engineer4.10 自然對流換熱六、對流換熱微分方程組的無因次化溫度選取過余溫度=(

15、tw-t)長度選取板長L速度選取/L為Grashof數(shù)，反映了在重力場中浮升力對自然對流換熱的影響方程的解為 當(dāng)空間比較大時(shí)，平均努賽爾特?cái)?shù)可表示為：Ra為Rayleigh數(shù)。對于不同的換熱表面，不同的流態(tài)C和n不同。（教科書）特征物理量的選取：LORD RAYLEIGH1842-1919British physicistHe was awarded the Nobel Prize for physics in 1904 for his discovery (1894) of the inert elementary gas Argon. His research almost covered

16、 the entire field of physics.4.10 自然對流換熱七、幾點(diǎn)注意 由于自然對流中沒有參考速度，所以換熱公式中就沒有強(qiáng)迫對 流中的Re，這里Gr相當(dāng)于Re。經(jīng)驗(yàn)公式中的定性溫度為 膜溫度。定性尺度：不同的情況有不同的尺度。流態(tài)由Ra數(shù)判斷： 為紊流，否則為層流。對于有限空間的自然對流，流體的上升與下沉將受到空間的限制，換熱計(jì)算時(shí)不能使用大空間對流換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，請查相應(yīng)的資料。4.10 自然對流換熱七、幾點(diǎn)注意自然對流湍流換熱的自模化問題。對恒熱流的自然對流，tw不知道，可將Grashof數(shù)改寫成：對于豎壁和圓柱體：層流：適用范圍紊流：適用范圍在強(qiáng)迫對流換熱中，當(dāng) 時(shí)

17、需要考慮自然對流的影響。4.10 自然對流換熱例題：一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片，其尺寸為3cm3cm，發(fā)熱量 為1W，試確定其表面溫度。設(shè)機(jī)箱內(nèi)的空氣溫 度為30 ，芯片垂直于地面放置，芯片附近無 空氣的強(qiáng)迫流動。分析：4.10 自然對流換熱復(fù)習(xí)： 質(zhì)量力或徹體力是指作用在流體每一質(zhì)點(diǎn)上的力，它的大小與流體的質(zhì)量成正比，它一般有兩種，其一為重力；其二為慣性力，它是由流體作直線加速運(yùn)動或曲線運(yùn)動所引起的。 通常質(zhì)量力用單位質(zhì)量流體所承受的質(zhì)量力來衡量質(zhì)量力的大小。4.10 自然對流換熱五、這是為什么？4.10 自然對流換熱4.10 自然對流換熱4.10 自然對流換熱一、概述低速氣流換熱特點(diǎn) 由于速度不是很高

18、，滯止后的溫度不是很高，同時(shí)粘性耗散的影響很小，物性參數(shù)按常物性處理不會有較大的誤差，理論上，動量方程和能量方程可以單獨(dú)求解(自然對流換熱除外)。高速氣流換熱特點(diǎn) 1、流體被 壓縮，壓力和 的變化將引起其它物性參數(shù)的變化。滯止溫度 2、邊界層內(nèi)粘性耗散引起溫度的升高及由此引起的物性參數(shù)變化。4.11 高速氣流換熱(Pr1)二、高速氣流的絕熱邊界層(Pr1)邊界層內(nèi)流動與換熱情況：1、由于粘性的作用，流體要消耗本身的動能，并將其變?yōu)闊崮?，使得邊界層?nèi)的流體溫度提高；2、由于導(dǎo)熱的作用，必然有熱量向邊界層外傳遞。4.11 高速氣流換熱(Pr1)二、高速氣流的絕熱邊界層(Pr1)邊界層內(nèi)流動與換熱情況：第十節(jié) 高速氣流換熱(Pr1)3、邊界層內(nèi)