換熱系數(shù)大自然對(duì)流課件

第五章對(duì)流換熱分析

本章主要內(nèi)容：闡述對(duì)流換熱機(jī)理、求解對(duì)流換熱的基本方法，包括：1)理論分析方法；2)兩傳類比方法，又稱半經(jīng)驗(yàn)方法；3)相似理論及換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，又稱經(jīng)驗(yàn)方法。第一節(jié)對(duì)流換熱概述1.1牛頓冷卻公式因此求解h

是對(duì)流換熱計(jì)算的核心問(wèn)題1.2對(duì)流換熱影響因素h的影響因素流動(dòng)起因流動(dòng)狀態(tài)流體的熱物性幾何因素流體相變流動(dòng)起因：受迫流動(dòng)：流速一般較大，換熱系數(shù)大自然對(duì)流：流速一般較小，換熱系數(shù)小流動(dòng)狀態(tài)：層流：熱擴(kuò)散機(jī)理主要為分子擴(kuò)散，熱擴(kuò)散系數(shù)一般小紊流：流體摻混作用強(qiáng)化了熱擴(kuò)散，熱擴(kuò)散系數(shù)一般大流體的熱物性

：導(dǎo)熱系數(shù)大，熱擴(kuò)散能力強(qiáng)，對(duì)流換熱系數(shù)大；比熱、密度大，熱對(duì)流傳遞熱量的能力強(qiáng)，壁面附近溫度梯度大，有利于對(duì)流換熱；流體的熱物性

：粘度定義：粘度大，流動(dòng)弱，熱對(duì)流傳遞熱量的能力小；體積膨脹系數(shù)：體積膨脹系數(shù)大，浮升力大，自然對(duì)流強(qiáng)，換熱得到加強(qiáng)。

定性溫度：用以確定物性參數(shù)的特征溫度。三種常見(jiàn)選擇方案，，流體相變：相變熱強(qiáng)化換熱幾何因素：幾何形狀，尺寸，相對(duì)位置1.3對(duì)流換熱微分方程式對(duì)流換熱界面導(dǎo)熱

或

第二節(jié)對(duì)流換熱微分方程組本節(jié)討論常物性不可壓縮牛頓型流體二維對(duì)流換熱問(wèn)題。連續(xù)性方程：x方向動(dòng)量方程：y方向動(dòng)量方程：能量方程：4個(gè)微分方程含有4個(gè)未知量(u、v、p、t)，方程組封閉。原則上，方程組對(duì)于滿足上述假定條件的對(duì)流換熱（強(qiáng)迫、自然、層流、紊流換熱）都適用。第三節(jié)邊界層換熱微分方程組的解3.1流動(dòng)邊界層

邊界層厚度:0.

99處離壁的距離流場(chǎng)劃分：主流區(qū)與邊界層區(qū)；層流、過(guò)度流與紊流(利用臨界距離與臨界雷諾數(shù)進(jìn)行判斷)；紊流核心與層流底層?？偨Y(jié)邊界層特征，主要有四點(diǎn)：（1）邊界層極薄，；（2）邊界層內(nèi)速度梯度大；（3）邊界層內(nèi)分層流與紊流，紊流邊界層包括紊流核心與層流底層；3.2熱邊界層熱邊界層厚度：0.99處離壁的距離（4）流場(chǎng)分為主流區(qū)（無(wú)粘區(qū)）與邊界層區(qū)（粘性區(qū)）。相同量綱的量進(jìn)行比較，區(qū)別不同量的量級(jí)大小；每個(gè)基本量綱選定一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)；選一組獨(dú)立的完備的標(biāo)準(zhǔn)量；3.3數(shù)量級(jí)分析與邊界層微分方程數(shù)量級(jí)分析的基本思想：與標(biāo)準(zhǔn)量相當(dāng)?shù)牧?，記為的量?jí)，簡(jiǎn)記為1，比標(biāo)準(zhǔn)量小得多的量，記為的量級(jí)，簡(jiǎn)記為，即目標(biāo)：對(duì)微分方程組中的各項(xiàng)進(jìn)行數(shù)量級(jí)比較，略去高階小量，簡(jiǎn)化方程組。

[例]：二維穩(wěn)態(tài)受迫流動(dòng)邊界層對(duì)流換熱微分方程組的數(shù)量級(jí)分析標(biāo)準(zhǔn)量：速度，溫度，長(zhǎng)度量。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：對(duì)于體積力可以忽略的穩(wěn)態(tài)受迫對(duì)流換熱，比較x和y方向的動(dòng)量微分方程，可忽略y方向的動(dòng)量微分方程。數(shù)量級(jí)分析簡(jiǎn)化后的微分方程組為：外掠平板層流邊界層微分方程精確解由量級(jí)分析得到的微分方程組，可求出速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)及局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：特征數(shù)關(guān)聯(lián)式：努塞爾數(shù)的物理意義：無(wú)因次對(duì)流換熱系數(shù)普朗特?cái)?shù)物理意義：分子動(dòng)量擴(kuò)散與熱擴(kuò)散能力之比注意：定性溫度為邊界層的算術(shù)平均溫度

或

平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：第四節(jié)邊界層換熱積分方程組及求解積分方程組的解又稱近似解。以下討論針對(duì)常物性、無(wú)內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體、忽略耗散熱的二維穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱，Pr>1,4.1邊界層動(dòng)量積分方程及求解（1）選取包含微元段邊界層的控制體積作為研究對(duì)象(2)分析控制體界面上的質(zhì)量流量、動(dòng)量流量及受力情況adcb控制體積abcd(3)建立邊界層動(dòng)量積分方程:經(jīng)過(guò)推導(dǎo)其中和(4)補(bǔ)充速度分布形態(tài)(5)

求邊界層厚度及摩擦系數(shù)當(dāng)時(shí)分析得4.2邊界層能量積分方程badc(1)

分析控制體的熱平衡(2)建立能量積分方程式單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入控制體的熱量等于流出控制體的熱量(3)補(bǔ)充溫度分布形態(tài)(4)求出熱邊界層厚度及局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)第五節(jié)動(dòng)量傳遞和熱量傳遞的類比本節(jié)主要利用兩傳類比討論紊流換熱問(wèn)題。5.1紊流動(dòng)量傳遞和熱量傳遞(1)瞬時(shí)速度=平均速度+脈動(dòng)速度(2)

瞬時(shí)溫度=平均溫度+脈動(dòng)溫度(3)

紊流動(dòng)量傳遞(如圖)脈動(dòng)粘滯應(yīng)力脈動(dòng)速度雷諾應(yīng)力脈動(dòng)速度y向質(zhì)流通量a-a面下面x向脈動(dòng)速度脈動(dòng)傳遞的動(dòng)量是y向質(zhì)流通量a-a面上面x向脈動(dòng)速度脈動(dòng)傳遞的動(dòng)量是總粘滯應(yīng)力（4）紊流熱量傳遞脈動(dòng)傳遞熱量總傳遞熱量雷諾類比的表達(dá)式及適用條件——適用條件假設(shè)：積分結(jié)果：或即雷諾類比：斯坦登數(shù)表達(dá)式

柯?tīng)柵箢惐缺磉_(dá)式

或由實(shí)驗(yàn)測(cè)量及理論分析得外掠平板紊流局部摩擦系數(shù)求局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式?[例]：類比表達(dá)式的應(yīng)用舉例—外掠平板紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式[解]：將局部摩擦系數(shù)表達(dá)式代入柯?tīng)柵箢惐缺磉_(dá)式展開(kāi)為：化簡(jiǎn)為：第六節(jié)相似理論基礎(chǔ)相似原理指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究仍然是解決復(fù)雜對(duì)流換熱問(wèn)題的可靠方法。6.1物理相似的基本概念（1）幾何相似：同類圖形各對(duì)應(yīng)邊成比例。（2）物理現(xiàn)象相似：同類現(xiàn)象對(duì)應(yīng)瞬間對(duì)應(yīng)點(diǎn)各應(yīng)物理量對(duì)應(yīng)成比例，即各物理量場(chǎng)相似。對(duì)流換熱中相關(guān)物理量場(chǎng)包括溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、粘度場(chǎng)、導(dǎo)熱系數(shù)場(chǎng)…。物理量場(chǎng)相似例1：兩圓管內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)速度場(chǎng)相似對(duì)應(yīng)點(diǎn)速度成比例物理量場(chǎng)相似例1：外掠平板非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)邊界層溫度場(chǎng)相似對(duì)應(yīng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度成比例6.2相似原理(1)物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)：彼此相似的現(xiàn)象，他們的同名相似準(zhǔn)則必定相等。即

證明舉例兩現(xiàn)象對(duì)流換熱微分方程式如果兩現(xiàn)象相似，則相似關(guān)系為代入下式得比較得得得按照相同的方法可從動(dòng)量微分方程、能量微分方程得出或相似準(zhǔn)則的物理意義雷諾準(zhǔn)則，表征了流體流動(dòng)時(shí)慣性力與粘性力的相對(duì)大?。ㄒ讯?zhǔn)則）格拉曉夫準(zhǔn)則，表征了浮升力與粘性力的相對(duì)大?。ㄒ讯?zhǔn)則）普朗特準(zhǔn)則，反映了流體動(dòng)量傳遞能力與熱量傳遞能力的相對(duì)大?。ㄒ讯?zhǔn)則）(2)

物理現(xiàn)象相似的條件：凡同類現(xiàn)象，單值性條件相似，同名一定準(zhǔn)則相等，現(xiàn)象必定相似(3)相似準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)系受迫對(duì)流

自然對(duì)流

努謝爾特準(zhǔn)則，表征壁面法向無(wú)因次過(guò)余溫度梯度（？）（待定準(zhǔn)則）6.3相似原理指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法相似原理回答了進(jìn)行對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究所必須解決的3個(gè)主要問(wèn)題：如何安排試驗(yàn)；怎樣整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果的適用性。1）