對(duì)流傳熱原理課件

第二部分對(duì)流傳熱第五章對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ)

第六章單相對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

第七章相變對(duì)流傳熱加熱蒸汽釜冷凝水物料物料攪拌器夾套式換熱器§5-1對(duì)流換熱概述一、對(duì)流換熱的定義和機(jī)理定義:流體流過(guò)固體壁面時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。是宏觀的熱對(duì)流和微觀的熱傳導(dǎo)的綜合傳熱過(guò)程。機(jī)理：既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱，不是基本的熱量傳遞方式。對(duì)流傳熱實(shí)例：暖氣管道;電子器件冷卻；電風(fēng)扇§5-1對(duì)流換熱概述二、影響對(duì)流換熱的因素§5-1對(duì)流換熱概述對(duì)流換熱是流體的導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。其影響因素主要有以下五個(gè)方面：流動(dòng)起因;流動(dòng)狀態(tài);流體有無(wú)相變;換熱表面的幾何因素;流體的熱物理性質(zhì)。(a)流動(dòng)起因自然對(duì)流：因流體各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：因外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)。層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線。湍流(紊流)：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。（Laminarflow）（Turbulentflow）紊流流動(dòng)極為普遍。收獲季節(jié)的麥浪滾滾，旗幟在微風(fēng)中輕輕飄揚(yáng)以及裊裊炊煙都是由空氣的紊流引起的?！?-1對(duì)流換熱概述(c)流體有無(wú)相變單相換熱：相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固等（Singlephaseheattransfer）§5-1對(duì)流換熱概述(d)壁面的幾何形狀、大小和位置內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束§5-1對(duì)流換熱概述外部流動(dòng)（a）強(qiáng)迫對(duì)流熱面朝下（b）自然對(duì)流熱面朝上內(nèi)部流動(dòng)綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是眾多因素的函數(shù)：§5-1對(duì)流換熱概述§5-1對(duì)流換熱概述三、對(duì)流換熱的分類分析解法：采用數(shù)學(xué)分析求解的方法，有指導(dǎo)意義。比擬法：通過(guò)研究熱量傳遞與動(dòng)量傳遞的共性，建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系，限制多，范圍很小。實(shí)驗(yàn)法：通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算公式，是目前的主要途徑。數(shù)值解法：和導(dǎo)熱問(wèn)題數(shù)值思想一樣，發(fā)展迅速，應(yīng)用越來(lái)越多。四、研究對(duì)流換熱的方法§5-1對(duì)流換熱概述根據(jù)傅里葉定律：根據(jù)牛頓冷卻公式：對(duì)流換熱微分方程：——它揭示了對(duì)流換熱問(wèn)題的本質(zhì)§5-1對(duì)流換熱概述例1：溫度為80℃的平板置于來(lái)流溫度為20℃的氣流中．假設(shè)平板表面中某點(diǎn)在垂直于壁面方向的溫度梯度為40℃/mm，試確定該處的熱流密度?！?-2對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述一、描述對(duì)流換熱的方程組溫度場(chǎng)特別是壁面附近的溫度分布溫度場(chǎng)受流場(chǎng)的影響流場(chǎng)連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動(dòng)量方程動(dòng)量守恒定律溫度場(chǎng)——能量方程能量守恒定律對(duì)流換熱微分方程式三、流體中的能量方程與純導(dǎo)熱微分方程的區(qū)別二維、常物性、無(wú)內(nèi)熱源的能量微分方程:非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)§5-2對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述與純導(dǎo)熱相比增加了對(duì)流項(xiàng)§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述普朗特（1875-1953）：德國(guó)力學(xué)家，現(xiàn)代流體力學(xué)的創(chuàng)始人之一，被譽(yù)為“空氣動(dòng)力學(xué)之父”。普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡(jiǎn)化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各個(gè)角度，建立了邊界層理論。我國(guó)著名流體力學(xué)家、力學(xué)教育家陸士嘉曾從師于普朗特，錢學(xué)森在美國(guó)加州理工學(xué)院的導(dǎo)師馮.卡門也是普朗特的學(xué)生。邊界層理論被廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中去，極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。一、流動(dòng)邊界層一、流動(dòng)邊界層§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述1.定義：當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí),由于流體粘性的作用,使得在固體壁面附近存在速度發(fā)生劇烈變化的薄層稱為流動(dòng)邊界層或速度邊界層。2.速度邊界層厚度δ的規(guī)定：速度等于99%主流速度。4.邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)：也有層流和湍流之分。對(duì)于外掠平板的流動(dòng)，臨界雷諾數(shù)一般取§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述5.引入速度邊界層的意義：流動(dòng)區(qū)域可分為主流區(qū)和邊界層區(qū)，主流區(qū)速度梯度為0，=0，可看作無(wú)粘性理想流體，而邊界層區(qū)流體的粘性作用起主導(dǎo)作用，流體的運(yùn)動(dòng)可用粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述（N-S方程）。δxlxy0§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述三、邊界層微分方程組邊界層微分方程組是指對(duì)邊界層區(qū)域的數(shù)學(xué)描述，它是在完整的數(shù)學(xué)描述基礎(chǔ)上根據(jù)邊界層的特點(diǎn)簡(jiǎn)化而得到的。簡(jiǎn)化可采用數(shù)量級(jí)分析的方法。數(shù)量級(jí)分析：比較方程中各量或各項(xiàng)數(shù)量級(jí)的相對(duì)大??；保留量級(jí)較大的量或項(xiàng)；舍去那些量級(jí)小的項(xiàng)，使方程大大簡(jiǎn)化。以穩(wěn)定的二維、常物性、不可壓流體的對(duì)流換熱問(wèn)題為例，對(duì)其微分方程組進(jìn)行數(shù)量級(jí)分析簡(jiǎn)化。§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述5個(gè)基本量的數(shù)量級(jí)：邊界層厚度：0(1)、0(δ)表示數(shù)量級(jí)為1和δ，1>>δ?！皛”——“相當(dāng)于”特征長(zhǎng)度：溫度：主流速度：§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述連續(xù)性方程：§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述能量微分方程：數(shù)量級(jí)=α§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述動(dòng)量微分方程：在邊界層內(nèi)，粘滯力與慣性力數(shù)量級(jí)相同§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述邊界層內(nèi)任一截面壓力p與y無(wú)關(guān)，即p=p(x)表明：邊界層內(nèi)的壓力梯度僅沿x方向變化，而邊界層內(nèi)法向壓力梯度極小。主流壓力：§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述于是得到流體平行流過(guò)平板邊界層換熱微分方程組:質(zhì)量守恒方程：動(dòng)量守恒方程：能量守恒方程：區(qū)別：方程個(gè)數(shù)減少了一個(gè)；動(dòng)量方程和能量方程中x方向的二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)略去了?！?-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述四、普朗特?cái)?shù)的物理意義忽略重力場(chǎng)，壓力梯度為零時(shí)，與t之間的關(guān)系：能量守恒方程:動(dòng)量守恒方程：動(dòng)量傳遞與熱量傳遞規(guī)律相似。Pr——反映流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力與其熱量擴(kuò)散能力的對(duì)比關(guān)系，也表示流動(dòng)邊界層和溫度邊界層的相對(duì)厚度?！?-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述當(dāng)Pr=1時(shí)，動(dòng)量方程與能量方程完全相同，δ=δt;當(dāng)Pr>1時(shí)，Pr=/a，>a，粘性擴(kuò)散>熱量擴(kuò)散，速度邊界層厚度>溫度邊界層厚度；當(dāng)Pr<1時(shí)，Pr=/a，<a，粘性擴(kuò)散<熱量擴(kuò)散，速度邊界層厚度<溫度邊界層厚度。δδtT∞u∞（b）Pr<1（a）Pr>1δtδT∞u∞§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述根據(jù)普朗特?cái)?shù)的大小，一般流體可分為三類：（1）高普朗特?cái)?shù)流體，如一些油類的流體，在102~103的量級(jí)；（2）中等普朗特?cái)?shù)的流體,0.7~10之間，如氣體在0.7~1.0,水為0.9~10；（3）低普朗特?cái)?shù)的流體,如液態(tài)金屬等，在0.01的量級(jí)?！?-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述（1）上述邊界層概念及分析是以沿平板的無(wú)界外部流動(dòng)為例進(jìn)行介紹的，內(nèi)部流動(dòng)的邊界層情況將有很大的變化，后面會(huì)介紹；（2）在平板前緣很短的一段距離內(nèi)，邊界層理論不適用；（3）若出現(xiàn)邊界層脫體，或發(fā)生回流情況，邊界層的特性也將改變；（4）對(duì)于高普朗特?cái)?shù)的油類和低普朗特?cái)?shù)的液態(tài)金屬，邊界層的分析也不適用。五、應(yīng)用邊界層概念應(yīng)注意的問(wèn)題§5-3邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題數(shù)學(xué)描述知識(shí)總結(jié)：一、對(duì)流換熱的定義及影響因素流動(dòng)起因;流動(dòng)狀態(tài);流體有無(wú)相變;換熱表面的幾何因素;流體的熱物理性質(zhì)。二、對(duì)流換熱微