傳熱傳質(zhì)學(xué)-對(duì)流第01章基本方程

2023/2/21

(對(duì)流部分)

2023/2/22概述一．概述2．對(duì)流換熱：

流體繞流固體表面時(shí)，若兩者之間存在溫度差，就會(huì)有熱量傳遞固體表面之間，這種流體與固體表面的熱交換為對(duì)流換熱。

1．熱對(duì)流：

發(fā)生在流體中，熱量通過導(dǎo)熱從固壁傳入流體后，一部分以焓的形式被運(yùn)動(dòng)著的流體帶向下游。這部分熱量為熱對(duì)流。

2023/2/23概述近幾十年來的物理成就，流體層流、湍流發(fā)展，深刻認(rèn)識(shí)了換熱過程的物理本質(zhì)。相似理論發(fā)展：尋求相似變量把偏微分方程轉(zhuǎn)換為常微分方程

附面層理論實(shí)質(zhì)

3．對(duì)流換熱發(fā)展背景及意義★對(duì)流換熱是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種機(jī)理聯(lián)合作用下發(fā)生的流體與固體表面之間的熱量交換過程。

2023/2/24概述3．對(duì)流換熱影響因素

（1）流體運(yùn)動(dòng)情況：

流速、壁面幾何形狀、壁面尺寸和位置及表面情況有關(guān)。層流：

湍流：

（2）按照對(duì)流發(fā)生運(yùn)動(dòng)原因，可把對(duì)流換熱分為：

受迫對(duì)流換熱：流體微團(tuán)做層狀運(yùn)動(dòng)，沒有橫向參混。流體微團(tuán)做不規(guī)則的脈動(dòng)式運(yùn)動(dòng)，有橫向參混。受到某種外力作用，在流體內(nèi)造成壓差（△P）,推動(dòng)流體做受迫振動(dòng)時(shí)的換熱。2023/2/25概述自然對(duì)流換熱：遵循規(guī)律不同，換熱規(guī)律不同。

流體內(nèi)部各處溫度不同，造成密度的差異，在浮升力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的換熱。

（3）對(duì)流換熱工程中，流體可能會(huì)發(fā)生相的變化有相變的對(duì)流換熱。

（4）流體的物理性質(zhì)是影響對(duì)流換熱的重要因素。

物性參數(shù)是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)。2023/2/26

5．我們這部分主要講的內(nèi)容

介紹對(duì)流換熱理論中最簡單、最基本的內(nèi)容，闡明流體繞流平壁、楔型體、曲面時(shí)對(duì)流換熱的物理本質(zhì)。

4．求解方法解析解、實(shí)驗(yàn)方法求解、數(shù)值計(jì)算方法求解。

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第一章基本方程2023/2/28第一章基本方程宏觀方法（流體看成是連續(xù)介質(zhì)）

流體阻力與流體與壁面間的換熱

求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程，加上狀態(tài)方程、單值性條件

遵循物理基本定律：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒

2023/2/29換熱方程：（單位時(shí)間對(duì)流換熱傳遞的熱量可用牛頓公式表示。）（付利葉定律用于緊貼壁面的流體層）2023/2/210一.連續(xù)方程（質(zhì)量方程）

連續(xù)方程質(zhì)量守恒定律在運(yùn)動(dòng)流體中具體表現(xiàn)

在流場中取微元控制體，邊長為、、單位時(shí)間通過、控制面質(zhì)量流量為：單位時(shí)間通過、控制面質(zhì)量流量為：在方向流入與流出質(zhì)量差為：同樣，在、方向：、

2023/2/211控制體內(nèi)有流體質(zhì)量為：時(shí)間內(nèi)，控制體內(nèi)流體質(zhì)量為：控制體內(nèi)流體質(zhì)量增量為：根據(jù)質(zhì)量守恒定律：流入與流出控制體的質(zhì)量之差等于控制體內(nèi)流體質(zhì)量增量。2023/2/212二.運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程將動(dòng)量守恒定律用于流場中微元控制體

、、分別代表作用于控制體上的徹體力：

運(yùn)動(dòng)方程2023/2/213

表面力為：壓力、粘性力（剪切力）代表垂直于、、三個(gè)軸向的表面應(yīng)力、、2023/2/214為垂直應(yīng)力：壓力和流體有關(guān)的法向應(yīng)力，剪切應(yīng)力；控制體上的表面力為：2023/2/215則2023/2/216粘性流體表面應(yīng)力與流體微團(tuán)單位時(shí)間的變形率成線性關(guān)系。流體是各向同性的。（表面應(yīng)力與單位時(shí)間變形率關(guān)系不隨坐標(biāo)系選取而改變）靜止流體沒有粘性應(yīng)力。表面應(yīng)力就是流體壓強(qiáng)，此時(shí)應(yīng)力張量為求解應(yīng)力表達(dá)式，做如下假設(shè)：熱力學(xué)參數(shù)壓強(qiáng)2023/2/217

流體變形率張量2023/2/218基于假設(shè)2023/2/219在流體中定義壓強(qiáng)是表面應(yīng)力張量中三個(gè)垂直分量的算術(shù)平均值假設(shè)：運(yùn)動(dòng)方程：2023/2/220能量方程三.能量方程能量守恒定律：加入微元控制體的熱量與作用于控制體內(nèi)流體的表面應(yīng)力對(duì)流體所做的功等于微元控制體能量增量

加入微元控制體的在進(jìn)口面以導(dǎo)熱形式傳入熱流：、

、

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在出口面以導(dǎo)熱形式傳出熱量：、

單位時(shí)間以微元控制體靜熱量為：表面力對(duì)控制體流體所做的功2023/2/222單位時(shí)間內(nèi)控制體能量變化得出：2023/2/223

能量方程化簡：∴

2023/2/224耗散函數(shù)單位時(shí)間的流體由于粘性的作用，在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能量，這部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢?。?單值性條件

單值性條件：時(shí)間條件、幾何條件、物理?xiàng)l件、邊界條件1）時(shí)間過程進(jìn)行特點(diǎn)：2）幾何條件：

3）物理?xiàng)l件：4）邊界條件：2023/2/225基本方程的無量綱形式及無量綱綜合數(shù)

五.基本方程的無量綱形式及無量綱綜合數(shù)連續(xù)方程：（愛因斯坦求和約定）對(duì)定常流，動(dòng)量方程：2023/2/226能量方程：……

任何一變量都可用自身表示2023/2/227例：無限空間繞流流場，其獨(dú)立的自由變量1、連續(xù)方程：

2、動(dòng)量方程：3、能量方程：

2023/2/2284、狀態(tài)方程：高斯測量單位選擇規(guī)定：人們可以自由選擇若干個(gè)基本單位（相互獨(dú)立且第k個(gè)基本單位不能由其余（k-1）個(gè)基本單位得出），另外一些物理量單位，則必須由基本單位且由科學(xué)定律和科學(xué)定義來規(guī)定。這種由基本單位推導(dǎo)出的單位稱導(dǎo)得單位或準(zhǔn)則性單位。2023/2/229動(dòng)量方程：2023/2/230能量方程：1）2023/2/231

2)：描述氣流的動(dòng)溫（即滯止溫度與靜溫之差）和壁溫與氣流靜溫之差比值2023/2/2323)2023/2/233

4）無因次換熱方程：5）一些參數(shù)的物理意義：整個(gè)流體體系，慣性力與粘性力的特定度量之比。A、2023/2/