第10章-對(duì)流換熱

第十章對(duì)流換熱一、對(duì)流換熱定義及基本公式定義：流動(dòng)的流體和靜止的固體壁面直接接觸時(shí)所發(fā)生的傳熱現(xiàn)象稱為對(duì)流換熱?；竟剑号ｎD冷卻公式h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·C）

10－1對(duì)流換熱的基本概念影響對(duì)流換熱的因素很多，都包含在h中。研究目的：求取h。二、影響h的因素1.流動(dòng)起因自由流動(dòng)——由流體冷熱各部分的密度差引起；受迫流動(dòng)——受外力（如風(fēng)機(jī)、水泵等）推動(dòng)而引起。在其它條件相同的情況下：2.流動(dòng)狀態(tài)（簡(jiǎn)稱流態(tài)）層流流層之間互不摻混——熱傳導(dǎo)；湍（紊）流流體質(zhì)團(tuán)相互摻混——熱對(duì)流一般情況下,h紊＞h層①流態(tài)的判據(jù):受迫對(duì)流——Re（雷諾數(shù)）自然對(duì)流——GrPr(格拉曉夫數(shù)與普朗特?cái)?shù)的乘積)定義式：式中：u——特征速度（公式規(guī)定的代表性速度）l——特征（定型）尺寸（對(duì)流動(dòng)有決定性影響）——?jiǎng)恿φ扯?，kg/（m·s）——運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。Re的物理意義：慣性力(量綱分析)摩擦阻力②流態(tài)區(qū)分層流紊流過(guò)渡流——兩種流態(tài)交替出現(xiàn)或兼而有之。Re＜Rec1Re＞Rec2Rec1＜Re＜Rec2不同對(duì)流換熱情況下,Rec的值不同。3.流體的物性①不同的流體，物性不同；定性溫度來(lái)確定物性的溫度。②同一流體，溫度不同，物性也不同。因此用定性溫度的選取方式：流體進(jìn)出口的算術(shù)平均溫度tf

；壁表面溫度tw

;流體與壁面的算術(shù)平均溫度4.換熱面的幾何因素（尺寸、形狀和位置等）幾何因素主要影響流體的流動(dòng)狀態(tài)、邊界層的形成和發(fā)展（速度、溫度分布）等。其影響通過(guò)定型尺寸來(lái)表征（參見P.157圖10-3、1-4）。常用無(wú)量綱準(zhǔn)則普朗特?cái)?shù)Pr(物性參數(shù))來(lái)反映物性對(duì)對(duì)流換熱的影響。5.流體有無(wú)相變（有相變h大）本章重點(diǎn)——單相流體受迫對(duì)流換熱三、h的確定方法建立邊界層微分（或積分）方程組并分析求解；由熱量和動(dòng)量傳遞規(guī)律類比求解；相似理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)法；數(shù)值計(jì)算方法。四、流動(dòng)邊界層和熱邊界層1.流動(dòng)（速度）邊界層（1）

流動(dòng)邊界層的定義：由于流體粘性作用，在壁面附近形成的速度梯度很大的薄層。形成機(jī)理：在粘性作用下，流體與壁面間的摩擦力以及流體每層之間的摩擦力使近壁區(qū)速度逐層降低。在緊貼壁面y=0處，速度ux=0。設(shè)：u∞

(uf)

為來(lái)流速度y＝處，

則0～的薄層稱為速度邊界層。

在邊界層內(nèi),很大，故τ也較大。τ—切向粘性力(維持層流,阻礙流體沿y向流動(dòng))主流區(qū)：邊界層以外，流速維持u∞

(u

f)基本不變的區(qū)域。在主流區(qū)中，。（2）掠過(guò)平板時(shí)邊界層的形成和發(fā)展設(shè)：流體以u(píng)f

流進(jìn)平板前緣①起始處x=0，δ=0；之后x↑—δ↑,速度梯度↓

—

τ↓;

x＜xc,,為層流段,τ起支配作用,速度分布為拋物線；②x=xc處，層流邊界層開始變得不穩(wěn)定,慣性力＞粘性力，若uf為紊流，沿y向有慣性力,層流流動(dòng)狀態(tài)開始由層流→過(guò)渡流→紊流擴(kuò)展變化，δ變厚。原因：紊流傳遞能量大，把粘性力傳到了較遠(yuǎn)的地方。邊界層厚度δ、ux變化如圖。層流底層：穩(wěn)定邊界層中緊貼壁面仍保持層流的極薄層。③最后形成三層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定邊界層:層流底層+緩沖層(過(guò)渡層)+紊流核心2.熱邊界層（溫度邊界層）⑴定義：由于溫差作用，在壁面處形成的溫度梯度很大的薄層。設(shè)：,則為熱邊界層。即：可近似認(rèn)為是從壁面至t=0.99tf處的距離。層流層流⑵溫度分布（3）熱邊界層的幾個(gè)特點(diǎn)：①熱邊界層與物體的幾何尺寸相比很小,形成一般比速度邊界層晚，因傳熱需要時(shí)間；②一般δ≠δt，只有當(dāng)a=ν時(shí)，二者相等.δt

反映流體的熱量擴(kuò)散能力,與a有關(guān)

,δ反映流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力,與ν有關(guān)

。因此Pr數(shù)反映了動(dòng)量和熱量在流體中擴(kuò)散的相對(duì)能力；③熱邊界層形態(tài)與速度邊界層層流段相似。邊界層內(nèi)溫度分布呈拋物線型,壁面處溫度梯度最大，邊界層外可近似看作等溫流動(dòng)。對(duì)流換熱熱量傳遞機(jī)理：包含對(duì)流——流體質(zhì)點(diǎn)不斷運(yùn)動(dòng)和混合產(chǎn)生宏觀熱對(duì)流（主要在紊流區(qū)）。導(dǎo)熱——流體與壁面、流體分子之間的微觀導(dǎo)熱作用（主要在層流區(qū)）。10－2對(duì)流換熱的基本方程組對(duì)流換熱微分方程組包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量微分方程、能量微分方程、對(duì)流換熱微分方程。即利用了對(duì)流換熱量=導(dǎo)熱量原理，見P.176（10.6）利用對(duì)流換熱微分方程組和邊界層理論,可求得邊界層局部對(duì)流換熱系數(shù)hx,然后積分得h。(10.10)直接實(shí)驗(yàn)法的局限性：①只能用于特定的實(shí)驗(yàn)條件下完全相同的現(xiàn)象；②在某些情況下，由于條件的限制或是影響的因素太多，需進(jìn)行成千上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，才能找出規(guī)律；③對(duì)尚未建造的、特大型的設(shè)備，不能用此法探索其規(guī)律性；④常常只能得出個(gè)別量之間的規(guī)律性關(guān)系，難以抓住現(xiàn)象的全部本質(zhì)。10－3相似理論基礎(chǔ)相似理論指導(dǎo)下的模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以推廣到相似的現(xiàn)象中去，而且可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。1、幾何相似。與流體相接觸部分形狀相同，幾何尺寸成比例；2、物理現(xiàn)象相似。同類物理現(xiàn)象在對(duì)應(yīng)時(shí)刻、對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)的同名物理量成比例。（幾何相似、時(shí)間相似、物理場(chǎng)相似）二、相似原理1、相似性質(zhì)

彼此相似的現(xiàn)象,其同名相似準(zhǔn)則必相等。（證明見P.182）一、相似的概念2、相似準(zhǔn)則數(shù)與準(zhǔn)則間的關(guān)系（1）對(duì)流換熱常用準(zhǔn)則——努謝爾特準(zhǔn)則——雷諾準(zhǔn)則——普朗特準(zhǔn)則葛拉曉夫準(zhǔn)則（注意與Bi的區(qū)別）（未定準(zhǔn)則）（2）對(duì)流換熱常用準(zhǔn)則的物理意義①努謝爾特準(zhǔn)則Nu（未定準(zhǔn)則）也可看作壁面處的溫度變化率與沿特征尺寸l的平均溫度變化率之比（又稱無(wú)量綱溫度梯度）。壁面處的溫度梯度↑→h↑→對(duì)流換熱越強(qiáng)烈。Nu

反映對(duì)流換熱強(qiáng)弱。由Re↑→慣性力↑→流體運(yùn)動(dòng)激烈程度↑→換熱強(qiáng)度↑

Re反映流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱的影響。②雷諾準(zhǔn)則Re③普朗特準(zhǔn)則Pr運(yùn)動(dòng)粘度與導(dǎo)溫系數(shù)的比值。Pr

反映物性對(duì)換熱的影響。慣性力與摩擦阻力之比④格拉曉夫準(zhǔn)則Gr——容積膨脹系數(shù)（1/K）表示浮升力與粘性力的相對(duì)大小。Gr↑→浮升力↑→粘性力↓→自然對(duì)流換熱↑Gr

反映流體自然對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。——溫度升高前后的密度同類現(xiàn)象，單值性條件相似，同名已定準(zhǔn)則數(shù)相等。3、判別相似的條件（3）相似準(zhǔn)則間的關(guān)系描述物理現(xiàn)象的微分方程式表達(dá)了各物理量之間的函數(shù)關(guān)系，那么由這些量組成的相似準(zhǔn)則間也應(yīng)存在函數(shù)關(guān)系。函數(shù)形式一般表示為：或（具體情況詳見P.183）三、由實(shí)驗(yàn)確定的準(zhǔn)則方程式的具體形式紊流受迫對(duì)流換熱：層流受迫對(duì)流換熱：不考慮升浮力影響時(shí)為：自然對(duì)流換熱：對(duì)于氣體，Pr

可看作常數(shù)。C、m、n、s均由實(shí)驗(yàn)整理確定，具體過(guò)程參見P.184。利用實(shí)驗(yàn)研究確定準(zhǔn)則間的函數(shù)關(guān)系時(shí)，常經(jīng)驗(yàn)地取對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式為指數(shù)函數(shù)的形式。10-4單相流體強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程一、管內(nèi)強(qiáng)迫流動(dòng)換熱[包括非圓管(槽)道]1.流動(dòng)和換熱特征①流動(dòng)特征i）邊界層特點(diǎn)：入口段：邊界層形成發(fā)展在充分發(fā)展（定型）段：邊界層速度分布完全定型。Re<2300：層流2300<Re<104：過(guò)渡流Re>104：紊流對(duì)管內(nèi)流動(dòng):ii）流動(dòng)狀態(tài)判據(jù)——Reiii）入口段長(zhǎng)度層流：紊流：同樣，熱邊界層也有入口段和充分發(fā)展段（見P.186）iv）hx

變化規(guī)律：層流hx

的變化規(guī)律與邊界層的形成發(fā)展規(guī)律有關(guān)。2.管內(nèi)流體與管壁的平均溫差Δt（1）常熱流邊界條件（）定型段流體與管壁溫度均呈線性變化。（2）常壁溫條件（tw=const）管內(nèi)流體溫度呈對(duì)數(shù)規(guī)律變化，全管長(zhǎng)流體與壁面間的平均溫差

為對(duì)數(shù)平均溫差（推導(dǎo)詳見第12章）

：

3.管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程（非唯一）（1）湍流強(qiáng)迫對(duì)流換熱——算術(shù)平均溫差時(shí)，可用算術(shù)平均溫差。①邊界層內(nèi)溫度分布（熱流方向）的影響對(duì)液體：t↑→η↓，故加熱液體時(shí)：靠壁處η↓，u↑→h↑冷卻液體時(shí)：靠壁處η↑，u↓→h↓對(duì)氣體：t↑→η↑，故加熱時(shí)：靠壁處η↑，u↓→h↓（與液體相反）。該影響用溫度修正系數(shù)ct

修正。見公式（10.17b）影響管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱的幾個(gè)因素及修正系數(shù)：②短管（入口效應(yīng)）的影響指入口段的流動(dòng)和換熱情況對(duì)h的影響。入口段h較大，且不穩(wěn)定，修正系數(shù)可從圖10.15中查得?；?/p>