對流換熱講義

對流換熱講義第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日斯韋特蘭娜·薩維茨卡婭（1948年生）蘇聯(lián)運動健將和宇航員，競速飛行記錄的創(chuàng)造者和飛的最高記錄的保持著，世界第二位女宇航員和世界首位女性太空行走者。她現(xiàn)在是俄羅斯聯(lián)邦國家杜馬共產(chǎn)黨派的副主席。

第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日薩利·克里斯滕·賴德，1951年生。1979年起為宇航員。1983年6月18日成為“挑戰(zhàn)者”號第二次飛行的宇航員之一，是美國進入太空的第一名女宇航員和美國最年輕的宇航員，也是世界上第三名進入宇宙的女宇航員。

第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日女宇航員所創(chuàng)造的最長飛行時間紀錄是188天4小時14秒。她乘坐美國的“亞特蘭蒂斯STS76”號宇宙飛船抵達“和平”號空間站，同年9月26日乘“亞特蘭特蒂斯STS79”號返回地面。

第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日1995年2月3日，美國女宇航員艾琳瑪麗柯林斯乘“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機飛上太空。1999年，已經(jīng)身為人母的柯林斯第三次進入太空，成為人類歷史上第一位航天飛機女指令長，駕駛“哥倫比亞”號航天飛機完成了7月23日至27日的飛行。

第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日克里斯塔·麥考利夫（左）1948年生。她原本是一名普通中學(xué)教師，但遨游太空的夢想和美國航空和航天局（NASA）招募太空教師的決定讓她走進了宇航界。朱迪絲·雷斯尼克（右）1949年生，猶太后裔。1978年，雷斯尼克被選入NASA的宇航員項目，在1984年8月“發(fā)現(xiàn)”號處女航時擔(dān)任任務(wù)專家。

第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日卡爾帕納·喬娜1994年，喬娜被NASA選中，參加為期一年的太空嚴格訓(xùn)練，身份是航天飛機太空任務(wù)專家。勞雷爾·克拉克1961年生，1996年又被選為宇航員。

第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日

對流換熱第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日對流換熱:流體流過固體壁面情況下所發(fā)生的熱量交換.對流換熱以牛頓冷卻公式為其基本計算式,即或?qū)τ诿娣e為A的接觸面其中t為換熱面積A上的平均溫差.約定q

及總是取正值,因此t及tm也要求取正值.§5-1對流換熱概述第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一.對流換熱的分類1.按動力分強制對流(forcedconvection):由于泵,風(fēng)機,或壓差等流體本身以外的動力產(chǎn)生的流動換熱.自然對流(naturalconvection):由于流體的密度差等流體本身的因素產(chǎn)生的流體流動換熱.混合對流(mixedconvection):自然對流和強制流動換熱并存.第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日凝結(jié)換熱:(condensationheattransfer)物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時發(fā)生的換熱.熔化換熱(meltingheattransfer)凝固換熱(solidificationheattransfer)升華換熱(sublimationheattransfer)凝華換熱（sublimationheattransfer）相變換熱:傳熱過程中有相變發(fā)生.物質(zhì)有三態(tài),固態(tài),液態(tài),氣態(tài)，稱三相.相變換熱又分為:沸騰換熱:(boilingheattransfer)物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時發(fā)生的換熱.2.按有無相變分第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日層流流動換熱(laminarheattransfer)紊流流動換熱(turbulentheattransfer)4.按幾何形狀管內(nèi)(槽道內(nèi))流動(flowinducts)外部繞流(aroundverticalplant)3.按流動形式分第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日對流換熱的分類表第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日無滑移邊界條件令上兩式相等則有則二、對流傳熱的基本公式(h

的確定方式)第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一、假設(shè)條件

為簡化分析,對于常見影響對流換熱問題的主要因素,做如下假設(shè):(1)流動是二維的;(2)流體為不可壓縮的牛頓流體;(3)流體物性為常數(shù),無內(nèi)熱源;(4)流速不高,忽略粘性耗散(摩擦損失);(5)流體為連續(xù)性介質(zhì)§5-2對流換熱問題的數(shù)學(xué)描述第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日微元控制體二、能量方程的推導(dǎo).第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日利用熱力學(xué)第一定律有

導(dǎo)入的凈熱量+流入的凈熱量=系統(tǒng)內(nèi)的焓增在x方向上導(dǎo)入的凈熱量有：在y方向上導(dǎo)入的凈熱量：在x方向上流入的凈熱量第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日略去高次項后得代入熱力學(xué)第一定理得單位時間內(nèi)的微元控制體內(nèi)的焓增同理得Y方向上的凈熱量第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日1.連續(xù)性方程(continuityequation)2.動量守恒方程(momentumequation)慣性力(inertialforce)體積力(bodyforce)壓力梯度(pressuregradient)

粘性力(viscousforce)3.能量守恒方程（energyequation)能量變化對流項導(dǎo)熱項三.對流換熱微分方程組.第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日未知量：u,v,p,t,h方程：五個方程組是封閉的,可求解強烈非線性4.換熱微分方程(無滑移邊界條件)第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日1.初始條件2.邊界條件:第一類邊界條件,規(guī)定邊界上流體的溫度分布.第二類邊界條件,給定邊界上加熱或冷卻流體的

熱流密度.

為何不用第三類邊界條件？四.定解條件.解析解：解微分方程組數(shù)值解：:計算機進行數(shù)值計算實驗方法（理論分析法與實驗相結(jié)合）比擬法：動量傳遞與熱量傳遞相似性五、求解方法第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日流速：VhV=0無對流物性－表征物質(zhì)物理特性的物理量密度（density)，粘性（viscosity)，熱導(dǎo)率(thermalconductivity)，比熱（specificheatcapacity)等，其他條件相同時，不同的流體換熱量不同，就是因為物性不同流體及壁面溫度

定性溫度（referencetemperature)六、影響對流換熱的因素第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日流動狀態(tài):層流，紊流;壁面形狀,位置形狀(平板,圓管)位置(橫放,豎放,管內(nèi),管外)綜上所述

Newtoncoolinglaw只是一種處理方法,既將許多因素都加在h上。對流換熱的內(nèi)容實際都是討論h如何確定.層流過渡流（旺盛）湍流

對于管內(nèi)流動,第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一.邊界層的概念1.流動(速度)邊界層：

靠近壁面處流體速度發(fā)生顯著變化的薄層邊界層的厚度(boundarylayerthickness):達到主流速度的99%處至固體壁面的垂直距離§5-3邊界層分析及邊界層微分方程組第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日邊界層的特點(1)有層流(laminarflow),紊流(turbulentflow)之分. 分界點Rec=3X105~3X106,一般可取Rec=5X105在紊流區(qū),貼壁面還有一極薄的層流底層（粘性底層）(2)=(x)x(x)

(3)(x)<<x

(4)流場分為:主流區(qū)(undisturbedflowregime)(potential)

邊界層區(qū)(boundaryregime)第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日假如流體的溫度為t∞(t∞≠tw),將有熱量傳遞。定義:在壁面附近溫度發(fā)生顯著變化的薄層.熱邊界層的厚度:過余溫度=t-tw=0.99(t-tw)至壁面的距離t邊界層的特點:與流動邊界層相同2.熱邊界層(溫度邊界層thermalboundarylayer)第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日在定義邊界層厚度時,我們用u和t,在忽略體積力時,有能量方程如果=a，方程完全一樣.因此他們的解也必定相同,也就是說其速度分布與溫度分布完全相同.故a就有重要意義.普朗特數(shù)(Prandtlnumber)

動量方程3.流動邊界層與熱邊界層比較第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日運動粘度,粘性擴散的能力熱擴散率,熱擴散的能力粘性擴散=熱擴散常見流體：Pr=0.6~4000空氣：Pr=0.6~1液態(tài)金屬較?。篜r=0.01-0.001數(shù)量級 粘性擴散>熱擴散粘性擴散<熱擴散第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日二、數(shù)量級分析方法及邊界層換熱微分方程組在熱邊界層內(nèi)，假設(shè)牛頓流體具有常物性,無內(nèi)熱源,耗散不計,穩(wěn)態(tài),二維,略去重力.已知：u，t，

的量級為0(1)

，t,v

的量級為0(）以此六個量為分析基礎(chǔ)。故，數(shù)量級定級為1，數(shù)量級定級為0導(dǎo)數(shù)的數(shù)量級由因變量與自變量的數(shù)量級確定，所以第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日的數(shù)量級為1，這樣可以對微分方程組進行簡化(數(shù)量級一致）★

x方向的動量擴散可以忽略第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日最后，我們得到：★

x方向的導(dǎo)熱可以忽略第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日其中dp/dx是已知量，可由主流區(qū)理想流體的Bernoulli方程確定（忽略重力或平面流動）邊界條件第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日上述方程的求解結(jié)果（層流）及局部換熱系數(shù)為（1908,Blasius,1921,Pohlhausen)上式改寫為無量綱量稱為努塞爾數(shù)，記為Nu于是，外掠等溫平板的無內(nèi)熱源的層流對流換熱問題的分析解為上式稱為特征數(shù)方程，習(xí)慣上稱為準則方程或關(guān)聯(lián)式。第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日§5-4準則數(shù)雷諾數(shù)：畢渥數(shù)：貝克萊數(shù)：普朗特數(shù)：努塞爾數(shù)：格拉曉夫數(shù)：第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日自然對流（naturalorfreeconvection）：由于流體自身的溫度場不均勻性引起的流動，密度是運動的動力。實例：暖器散熱，電子元件散熱。特點:速度分布兩端小，中間大，溫度分布與強制對流相似。一般情況下，不均勻穩(wěn)度場只發(fā)生在靠近 換熱面的薄層內(nèi)，形成自然對流邊界層。 與平板的類似，也有層流湍流之分§5-5

自然對流換熱及其實驗關(guān)聯(lián)式第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日分類所研究對象周圍無其它物體影響換熱。只要邊界層不受干擾即為大空間。有限空間自然對流：不滿足大空間條件大空間自然對流第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日其中體膨脹系數(shù)(volumecoefficientofexpansion)對于理想氣體pv=RT定性溫度:一、大空間自然對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例5-8室溫為10℃的大房間中有一個直徑為10cm的煙囪，其豎直部分高為1.5m，水平部分長15m。求煙囪的平均壁溫為110℃時，對流散熱量。第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例5-8室溫為10℃的大房間中有一個直徑為10cm的煙囪，其豎直部分高為1.5m，水平部分長15m。求煙囪的平均壁溫為110℃時，對流散熱量。解：定性溫度由附錄(p187)查得，60℃時空氣的物性（1）煙囪豎直部分的散熱第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日由前表知第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日（2）煙筒水平部分的散熱所以第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度為特征長度的Gr數(shù)。計算采用書上推薦的實驗關(guān)聯(lián)式二、有限空間自然對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例5-9一個豎封閉夾層，兩壁由邊長為0.5m的方形壁組成，兩壁間距為15mm，溫度分別為100℃，40℃。試計算通過此空氣夾層的自然對流換熱量。第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日例5-9一個豎封閉夾層，兩壁由邊長為0.5m的方形壁組成，兩壁間距為15mm，溫度分別為100℃，40℃。試計算通過此空氣夾層的自然對流換熱量。解：定性溫度為兩壁的平均溫度從附錄查得空氣物性為對于空氣：第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日按式5-42計算，即所以自然對流換熱量按牛頓冷卻公式計算第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期日一、影響強制對流換熱的因素1.層流與紊流 Re<2200層流 2200<Re<104過渡區(qū) Re>104旺盛紊流§5-6