自然對(duì)流換熱課件

§6-5大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)的不均勻所引起的流動(dòng)。不均勻溫度場(chǎng)造成了不均勻密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。在各種對(duì)流傳熱方式中，自然對(duì)流傳熱的熱流密度最低。固有的特點(diǎn)——安全、經(jīng)濟(jì)、無(wú)噪聲§6-5大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流1自然對(duì)流傳熱則是流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對(duì)流時(shí)發(fā)生的熱量交換過(guò)程。

（1）豎板（豎管）（3）水平板 （2）水平管（4）豎直夾層 （5）橫圓管內(nèi)側(cè)自然對(duì)流傳熱則是流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對(duì)流時(shí)2在自然界、現(xiàn)實(shí)生活、工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對(duì)流傳熱的方式實(shí)現(xiàn)的。在自然界、現(xiàn)實(shí)生活、工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對(duì)3一、自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn)

以豎直平板在空氣中自然冷卻過(guò)程進(jìn)行分析。薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點(diǎn)。壁面處由于粘性作用速度為零，在薄層外緣，由于溫度已均勻，速度也等于零。在偏近熱壁處速度有一個(gè)峰值邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線t∞x0y這種流體速度變化的區(qū)域相對(duì)于流體沿著平板上升方向（圖中的x方向）的尺度是很薄的，因而可以稱(chēng)之為自然對(duì)流的速度邊界層。

tw一、自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn)以豎直平板在空氣中自然冷卻過(guò)程進(jìn)4與速度邊界層同時(shí)存在的還有溫度發(fā)生顯著變化的薄層，也就是溫度從tw逐步變化到環(huán)境溫度t∞熱邊界層。

熱邊界層的厚度也是隨著流動(dòng)方向上尺寸(x)的增大而逐漸增大，因而豎直平板的換熱性能也就會(huì)從平板底部開(kāi)始隨著x的增大而逐漸減弱。邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線t∞x0ytw與速度邊界層同時(shí)存在的還有溫度發(fā)生顯著變化的薄層，也就是溫度5從豎直平板的底部開(kāi)始發(fā)展的自然對(duì)流邊界層，除邊界層厚度逐步增大之外，其邊界層中的慣性力相對(duì)于黏性力也會(huì)逐步增大，從而導(dǎo)致邊界層中的流動(dòng)失去穩(wěn)定，而由層流流動(dòng)變化到紊流流動(dòng)。如受迫對(duì)流的邊界層從層流變?yōu)槲闪魅Q于無(wú)量綱準(zhǔn)則雷諾數(shù)Re一樣，自然對(duì)流邊界層從層流變?yōu)槲闪饕踩Q于一個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)格拉曉夫數(shù)Gr。

紊流流動(dòng)狀態(tài)層流流動(dòng)狀態(tài)x0y從豎直平板的底部開(kāi)始發(fā)展的自然對(duì)流邊界層，除邊界層厚度逐步增6自然對(duì)流的流動(dòng)特征熱豎壁為例：溫度和速度分布溫度不均→密度不均→速度分布不均勻的溫度場(chǎng)只是在壁面附近的薄層內(nèi)。速度場(chǎng)先增大后減小，與溫度場(chǎng)的邊界層基本重合。流動(dòng)狀態(tài)也有層流和湍流之分。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化如圖所示。自然對(duì)流的流動(dòng)特征熱豎壁為例：溫度和速度分布溫度不均→密7二、自然對(duì)流傳熱的控制方程

大空間條件下的豎板自然對(duì)流換熱是屬于邊界層流動(dòng)換熱的類(lèi)型。前面導(dǎo)出的邊界層流動(dòng)換熱的微分方程組在這里也應(yīng)該是適用的。自然對(duì)流換熱的微分方程組的形式如下：二、自然對(duì)流傳熱的控制方程大空間條件下的豎板自然對(duì)流換熱8式中動(dòng)量方程中的壓力梯度，按其在y方向上變化的特征，在邊界層外部可以求出于是動(dòng)量方程變?yōu)闉榱藢⒎匠讨械拿芏炔钣脺囟炔顏?lái)表示，引入體積膨脹系數(shù)式中動(dòng)量方程中的壓力梯度，按其在y方向上變化的特征，在邊界層9體積膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體為其絕對(duì)溫度值的倒數(shù)，即αv=1/T，大多數(shù)一般氣體可利用此式。體積膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體為其絕對(duì)溫度值的倒數(shù)，即αv=1/T10三、大空間與有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式均勻壁溫下的準(zhǔn)則方程式：（6-37）式中C、n查表（6-10）

——格拉曉夫準(zhǔn)則（6-34）——體積膨脹系數(shù)（），理想氣體有定性溫度：特征長(zhǎng)度：豎壁或豎圓柱的高度d水平放置圓柱（橫圓柱）的外徑水平壁的長(zhǎng)度使用范圍：決定量見(jiàn)表6-10三、大空間與有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式均勻壁溫下的準(zhǔn)11表6-12式（6-37）中的常數(shù)C和n表6-12式（6-37）中的常數(shù)C和n121、給定常壁溫用式（6-37）式中C、n查表6-10

說(shuō)明：（1）豎圓柱限制d不能相對(duì)太細(xì)，否則邊界層與直徑相比不能忽視?。?）液體換熱溫差大時(shí)，用式2、給定常熱流密度q未知→未知引入新的準(zhǔn)則數(shù)準(zhǔn)則方程（6-38）物性修正因子（6-43）（6-44）平板的B、m見(jiàn)表（6-11）

1、給定常壁溫用式（6-37）式中C、n查表6-10說(shuō)明13表6-11（6-43）式中的表6-11（6-43）式中的14四、有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1、準(zhǔn)則方程一般形式這里：特征長(zhǎng)度：定性溫度：，

四、有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1、準(zhǔn)則方程一般形式這里152、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

（1）豎空氣夾層（常壁溫）（6-46a）適用范圍：（6-46b）適用范圍：2、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（1）豎空氣夾層（常壁溫）（6-46a）適16（2）水平空氣夾層（常壁溫）

（6-47a）適用范圍：與

無(wú)關(guān)

（6-47b）適用范圍：（2）水平空氣夾層（常壁溫）（6-47a）適用范圍：與17對(duì)流換熱計(jì)算的一般步驟：1、首先判斷是哪一類(lèi)換熱；（強(qiáng)制對(duì)流or自然對(duì)流？圓管or平板？管內(nèi)or管外？橫掠or縱掠？）2、正確選定定性溫度和特征尺寸、特征流速；3、判斷流動(dòng)的狀態(tài)，（計(jì)算Re準(zhǔn)則數(shù)）；4、計(jì)算已定準(zhǔn)則數(shù)，根據(jù)范圍確定具體關(guān)聯(lián)式；并計(jì)算出最終結(jié)果：計(jì)算Nu→h→q。對(duì)流換熱計(jì)算的一般步驟：18

謝謝觀看！

劉觀林，劉泰岳，肖宇陽(yáng)

謝謝觀看！19§6-5大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)的不均勻所引起的流動(dòng)。不均勻溫度場(chǎng)造成了不均勻密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。在各種對(duì)流傳熱方式中，自然對(duì)流傳熱的熱流密度最低。固有的特點(diǎn)——安全、經(jīng)濟(jì)、無(wú)噪聲§6-5大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流20自然對(duì)流傳熱則是流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對(duì)流時(shí)發(fā)生的熱量交換過(guò)程。

（1）豎板（豎管）（3）水平板 （2）水平管（4）豎直夾層 （5）橫圓管內(nèi)側(cè)自然對(duì)流傳熱則是流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對(duì)流時(shí)21在自然界、現(xiàn)實(shí)生活、工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對(duì)流傳熱的方式實(shí)現(xiàn)的。在自然界、現(xiàn)實(shí)生活、工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對(duì)22一、自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn)

以豎直平板在空氣中自然冷卻過(guò)程進(jìn)行分析。薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點(diǎn)。壁面處由于粘性作用速度為零，在薄層外緣，由于溫度已均勻，速度也等于零。在偏近熱壁處速度有一個(gè)峰值邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線t∞x0y這種流體速度變化的區(qū)域相對(duì)于流體沿著平板上升方向（圖中的x方向）的尺度是很薄的，因而可以稱(chēng)之為自然對(duì)流的速度邊界層。

tw一、自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn)以豎直平板在空氣中自然冷卻過(guò)程進(jìn)23與速度邊界層同時(shí)存在的還有溫度發(fā)生顯著變化的薄層，也就是溫度從tw逐步變化到環(huán)境溫度t∞熱邊界層。

熱邊界層的厚度也是隨著流動(dòng)方向上尺寸(x)的增大而逐漸增大，因而豎直平板的換熱性能也就會(huì)從平板底部開(kāi)始隨著x的增大而逐漸減弱。邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線t∞x0ytw與速度邊界層同時(shí)存在的還有溫度發(fā)生顯著變化的薄層，也就是溫度24從豎直平板的底部開(kāi)始發(fā)展的自然對(duì)流邊界層，除邊界層厚度逐步增大之外，其邊界層中的慣性力相對(duì)于黏性力也會(huì)逐步增大，從而導(dǎo)致邊界層中的流動(dòng)失去穩(wěn)定，而由層流流動(dòng)變化到紊流流動(dòng)。如受迫對(duì)流的邊界層從層流變?yōu)槲闪魅Q于無(wú)量綱準(zhǔn)則雷諾數(shù)Re一樣，自然對(duì)流邊界層從層流變?yōu)槲闪饕踩Q于一個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)格拉曉夫數(shù)Gr。

紊流流動(dòng)狀態(tài)層流流動(dòng)狀態(tài)x0y從豎直平板的底部開(kāi)始發(fā)展的自然對(duì)流邊界層，除邊界層厚度逐步增25自然對(duì)流的流動(dòng)特征熱豎壁為例：溫度和速度分布溫度不均→密度不均→速度分布不均勻的溫度場(chǎng)只是在壁面附近的薄層內(nèi)。速度場(chǎng)先增大后減小，與溫度場(chǎng)的邊界層基本重合。流動(dòng)狀態(tài)也有層流和湍流之分。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化如圖所示。自然對(duì)流的流動(dòng)特征熱豎壁為例：溫度和速度分布溫度不均→密26二、自然對(duì)流傳熱的控制方程

大空間條件下的豎板自然對(duì)流換熱是屬于邊界層流動(dòng)換熱的類(lèi)型。前面導(dǎo)出的邊界層流動(dòng)換熱的微分方程組在這里也應(yīng)該是適用的。自然對(duì)流換熱的微分方程組的形式如下：二、自然對(duì)流傳熱的控制方程大空間條件下的豎板自然對(duì)流換熱27式中動(dòng)量方程中的壓力梯度，按其在y方向上變化的特征，在邊界層外部可以求出于是動(dòng)量方程變?yōu)闉榱藢⒎匠讨械拿芏炔钣脺囟炔顏?lái)表示，引入體積膨脹系數(shù)式中動(dòng)量方程中的壓力梯度，按其在y方向上變化的特征，在邊界層28體積膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體為其絕對(duì)溫度值的倒數(shù)，即αv=1/T，大多數(shù)一般氣體可利用此式。體積膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體為其絕對(duì)溫度值的倒數(shù)，即αv=1/T29三、大空間與有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式均勻壁溫下的準(zhǔn)則方程式：（6-37）式中C、n查表（6-10）

——格拉曉夫準(zhǔn)則（6-34）——體積膨脹系數(shù)（），理想氣體有定性溫度：特征長(zhǎng)度：豎壁或豎圓柱的高度d水平放置圓柱（橫圓柱）的外徑水平壁的長(zhǎng)度使用范圍：決定量見(jiàn)表6-10三、大空間與有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式均勻壁溫下的準(zhǔn)30表6-12式（6-37）中的常數(shù)C和n表6-12式（6-37）中的常數(shù)C和n311、給定常壁溫用式（6-37）式中C、n查表6-10

說(shuō)明：（1）豎圓柱限制d不能相對(duì)太細(xì)，否則邊界層與直徑相比不能忽視?。?）液體換熱溫差大時(shí)，用式2、給定常熱流密度q未知→未知引入新的準(zhǔn)則數(shù)準(zhǔn)則方程（6-38）物性修正因子（6-43）（6-44）平板的B、m見(jiàn)表（6-11）

1、給定常壁溫用式（6-37）式中C、n查表6-10說(shuō)明32表6-11（6-43）式中的表6-11（6-43）式中的33四、有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1、準(zhǔn)則方程一般形式這里：特征長(zhǎng)度：定性溫度：，

四、有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1、準(zhǔn)則方程一般形式這里342、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

（1）豎空氣夾層（常壁溫）（6-46a）適用范圍：（6-46b）適用范圍：2、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（1）豎空氣夾層（常壁溫）（6-46a）適35（2）水平空氣夾層（常壁溫）

（6-47a）適用范圍：與

無(wú)關(guān)

（6-47b）適用范圍：（2）水平空氣夾層（常壁溫）（6-47a）適用范圍：