《對流換熱原理》課件

對流換熱原理對流換熱是一種常見的傳熱方式,通過流體的流動來傳輸熱量。本節(jié)課將深入探討對流換熱的基本原理和規(guī)律,幫助您更好地理解這一熱傳遞機制。對流換熱的概念熱量傳遞的機制對流換熱是指通過流體（液體或氣體）的運動來實現(xiàn)熱量的傳遞。這種方式是熱量傳遞最常見和最重要的形式之一。與其他換熱方式的區(qū)別對流換熱有別于熱傳導(dǎo)和輻射換熱,它包含了流體的流動和物質(zhì)的運動過程。這使得對流換熱的機理更為復(fù)雜,但傳熱效率也更高。對流換熱的分類根據(jù)流體運動的方式,對流換熱可分為自然對流和強制對流兩種。這兩種機制各有獨特的物理特點和工程應(yīng)用。對流換熱的分類自然對流由溫度差引起的密度差而產(chǎn)生的流動對流換熱現(xiàn)象。強制對流通過外部施加的壓力差或泵送等方式產(chǎn)生的流動對流換熱現(xiàn)象。混合對流既有自然對流驅(qū)動也有強制對流驅(qū)動的混合換熱過程。沸騰與凝結(jié)對流相變過程中的相界面換熱屬于特殊類型的對流換熱。自然對流自然對流是在溫度梯度作用下引起的流體的流動,不需要外部力的作用。當(dāng)溫度差在重力作用下形成浮力差時,溫度較高的流體上升,溫度較低的流體下降,從而形成自然對流循環(huán)。自然對流在工程應(yīng)用中普遍存在,如太陽能集熱系統(tǒng)、建筑物采光和散熱等。自然對流的物理機制1溫度差引起溫度差導(dǎo)致流體密度差異2浮力作用較輕流體上浮帶動流動3巴羅米特負(fù)壓壓力差引發(fā)自然對流循環(huán)自然對流的物理機制是基于溫度差引起的流體密度差異。溫度高的流體密度低,在重力作用下產(chǎn)生浮力,較輕的流體上浮帶動整個流體循環(huán)運動。同時溫度差還會造成壓力差,形成巴羅米特負(fù)壓效應(yīng),進一步推動自然對流的產(chǎn)生。自然對流的傳熱系數(shù)10-1000W/(m2·K)自然對流傳熱系數(shù)的典型范圍0.001-0.1m自然對流換熱時的邊界層厚度10-100℃自然對流換熱時的溫度差自然對流換熱的傳熱系數(shù)主要取決于溫度差和流體特性。它通常在10-1000W/(m2·K)之間,邊界層厚度為0.001-0.1m,溫度差為10-100℃。換熱效率較低,但應(yīng)用廣泛,如建筑物供暖、太陽能熱利用等。強制對流強制對流是指通過外加的機械力作用造成流體在物體表面或管道內(nèi)運動,從而促進對流傳熱過程的一種換熱方式。與自然對流相比,強制對流可以顯著提高傳熱效率。強制對流廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域,如渦輪發(fā)動機、冷卻系統(tǒng)、散熱器等,是非常重要的換熱方式之一。強制對流的物理機制1流體流動通過外部作用力驅(qū)動流體流動2邊界層薄膜流體與固體表面形成邊界層3溫度梯度邊界層內(nèi)存在溫度梯度4對流換熱溫度梯度導(dǎo)致熱量從高溫向低溫傳遞強制對流換熱是通過外部裝置如風(fēng)扇或泵強制驅(qū)動流體流動,使流體與物體表面產(chǎn)生邊界層,從而形成溫度梯度,導(dǎo)致熱量從高溫向低溫傳遞的過程。這種方式可以顯著提高換熱效率,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。強制對流的傳熱系數(shù)主要影響因素流體流速、流體性質(zhì)、表面形狀等計算公式Nu=C(Re)^m(Pr)^nNu無量綱的努塞爾數(shù),表示對流傳熱強度Re無量綱的雷諾數(shù),表示流體運動狀態(tài)Pr無量綱的普朗特數(shù),表示流體熱傳導(dǎo)性能C,m,n與流動形式和幾何形狀有關(guān)的實驗常數(shù)對流換熱的邊界層理論1邊界層概念邊界層是流體與固體表面之間的一個過渡層,在這里流體的速度和溫度發(fā)生迅速變化。2邊界層流動類型邊界層流動分為層流和湍流兩種,這決定了流體的流動狀態(tài)和傳熱方式。3邊界層換熱機制邊界層內(nèi)流體的流動和溫度梯度變化決定了對流換熱的強弱程度。4邊界層理論應(yīng)用邊界層理論為計算對流換熱系數(shù)提供了重要依據(jù),是對流換熱分析的基礎(chǔ)。邊界層流動類型層流邊界層流動平穩(wěn)、有序,流線型排列,具有很高的層流穩(wěn)定性。湍流邊界層流動紊亂,出現(xiàn)大小漩渦,熱量和動量傳遞強烈,具有較高的傳熱和阻力特性。過渡流動由層流過渡到湍流,是一個復(fù)雜的過程,受諸多因素影響。邊界層換熱方程邊界層流動分析基于流體邊界層理論,可以對對流換熱過程進行分析,建立相應(yīng)的換熱方程。動量邊界層方程描述邊界層內(nèi)流體流動的微分方程,包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。能量邊界層方程描述邊界層內(nèi)溫度分布的微分方程,可用于計算對流換熱過程中的熱傳遞。邊界層換熱問題的求解1邊界層方程組求解通過數(shù)值計算解決邊界層方程組,確定流動和溫度場的分布。利用相似解法可簡化計算。2逐步逼近法將問題分步求解,先求出流速分布,再計算溫度分布,利用迭代方法逐步逼近精確解。3試探法采用合理的試探函數(shù),將問題轉(zhuǎn)化為線性方程組,通過求解獲得近似解。管內(nèi)流動的邊界層理論邊界層形成當(dāng)流體沿管壁流動時,由于管壁的粘滯作用,流體與管壁之間會形成一層邊界層。管內(nèi)邊界層的產(chǎn)生與發(fā)展,對流動阻力和傳熱性能有重要影響。邊界層厚度邊界層厚度隨流動位置的增加而不斷增大。對于管內(nèi)流動,在進口處邊界層很薄,隨著流程的發(fā)展逐步增厚直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。邊界層類型管內(nèi)流動的邊界層可分為層流邊界層和湍流邊界層兩種。邊界層類型的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于流動條件,如雷諾數(shù)等。邊界層影響管內(nèi)邊界層的發(fā)展直接影響流體阻力和傳熱性能。合理控制邊界層,可以降低阻力并提高傳熱效率。管內(nèi)強制對流換熱系數(shù)管內(nèi)強制對流換熱系數(shù)主要取決于流體性質(zhì)和流動狀態(tài)。一般而言，流體的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性質(zhì)越好，傳熱系數(shù)越高。同時，湍流狀態(tài)下的傳熱系數(shù)也明顯高于層流狀態(tài)。湍流邊界層換熱1復(fù)雜流動湍流邊界層中存在復(fù)雜的流動模式2擾動傳播湍流擾動快速傳播,提高傳熱效率3溫度波動溫度在湍流邊界層內(nèi)產(chǎn)生強烈波動相比于層流邊界層,湍流邊界層內(nèi)的流動更加復(fù)雜多變。湍流中的擾動能快速在邊界層內(nèi)傳播,提高了對流換熱的傳熱效率。同時,湍流邊界層內(nèi)溫度也會產(chǎn)生強烈的波動,進一步改善了對流換熱的性能。湍流邊界層傳熱量公式湍流邊界層傳熱過程復(fù)雜,需要依靠實驗數(shù)據(jù)來確定傳熱系數(shù)。常用的湍流邊界層傳熱量公式包括努塞爾特公式和普蘭特朗公式。這些公式可以準(zhǔn)確預(yù)測管道、平板等物體表面的湍流邊界層傳熱量,廣泛應(yīng)用于工程實踐中。自然對流邊界層換熱自然對流邊界層流動在自然對流條件下,固體表面與流體間產(chǎn)生溫差,會在表面形成一層邊界層,其中流體會受浮力作用而產(chǎn)生自然對流流動。溫度分布特點在自然對流邊界層內(nèi),溫度會隨距離表面的距離而逐漸降低,形成一個溫度邊界層。換熱系數(shù)計算自然對流邊界層換熱系數(shù)可通過無量綱參數(shù)如格拉斯霍夫數(shù)、普朗特數(shù)等進行計算和預(yù)測。自然對流邊界層傳熱量公式自然對流邊界層傳熱量可以通過牛頓冷卻定律計算得到:熱流密度:q=h(Ts-T∞)傳熱系數(shù):h=f(Gr,Pr)無量綱參數(shù):Gr=重力浮力/黏性力^2Pr=動力粘性系數(shù)/熱擴散系數(shù)通過實驗或理論推導(dǎo),可以得到不同幾何條件下的h值表達(dá)式,從而計算出自然對流傳熱量。自然對流換熱實例分析房間換熱在一間有窗戶的房間內(nèi),陽光照射使墻壁變熱。窗戶和墻壁之間就會形成自然對流,熱空氣上升,帶走熱量,從而使房間溫度降低。水罐加熱將裝有水的罐子加熱,水溫升高后,水面附近的水變輕,產(chǎn)生自然對流。熱量從罐底傳導(dǎo)至水面,再通過對流傳播至整個水體。電熱水器電熱水器內(nèi)部的水受加熱元件的加熱,水溫升高后,水面附近的熱水上升,帶走熱量,從而形成自然對流換熱循環(huán)。汽車散熱器汽車發(fā)動機產(chǎn)生大量熱量,散熱器利用自然對流帶走熱量。發(fā)動機艙內(nèi)的熱空氣上升,帶動周圍空氣流動,從而實現(xiàn)散熱。強制對流換熱實例分析空調(diào)制冷系統(tǒng)室內(nèi)空調(diào)機通過電機驅(qū)動風(fēng)機,產(chǎn)生強制氣流,帶走室內(nèi)熱量并傳遞到室外機進行散熱。汽車發(fā)動機發(fā)動機活塞運動產(chǎn)生熱量,通過水泵強制循環(huán)冷卻水,將熱量帶走并傳遞到散熱器進行輻射散熱。渦輪機葉片發(fā)電廠渦輪機高速旋轉(zhuǎn)的葉片與通過的空氣產(chǎn)生強制對流,帶走渦輪機內(nèi)部的大量熱量。對流傳熱系數(shù)測定方法1實驗測量法通過實驗直接測量受熱表面和流體之間的溫差以及熱流密度,計算出對流傳熱系數(shù)。2熱流計法利用已知熱流密度和溫差,按換熱公式計算出對流傳熱系數(shù)。3能量平衡法通過測量系統(tǒng)的輸入功率和溫度變化,根據(jù)能量平衡方程求得對流傳熱系數(shù)。4積分邊界層法利用邊界層理論,通過測量速度分布和溫度分布計算對流傳熱系數(shù)。自然對流傳熱系數(shù)測定方法加熱板法在一個恒定溫度的加熱平面上放置試件,通過測量溫度差和熱流量來計算傳熱系數(shù)。冷卻室法將試件置于恒溫室內(nèi),通過測量試件表面溫度和周圍環(huán)境溫度來確定傳熱系數(shù)。熱線法利用細(xì)熱電偶或熱線傳感器測量溫度梯度,從而推算出自然對流傳熱系數(shù)。強制對流傳熱系數(shù)測定方法風(fēng)洞試驗在風(fēng)洞中通過控制氣流速度和溫度,測量物體表面溫度變化,從而計算出強制對流傳熱系數(shù)。這種方法能精確模擬實際工作條件。管路試驗法在管路中測量流體進出口溫度差和流量,結(jié)合管壁溫度即可得出管內(nèi)強制對流傳熱系數(shù)。適用于管道傳熱過程的研究。熱電偶測量法利用熱電偶精確測量物體表面和流體溫度,再結(jié)合流體流速等參數(shù)計算出強制對流傳熱系數(shù)。操作簡單,適合實驗室研究。對流換熱應(yīng)用舉例建筑物內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)利用強制對流,使室內(nèi)空氣更加流通并達(dá)到理想溫度濕度。如中央空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機盤管等廣泛應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)過程許多工廠生產(chǎn)中需要通過強制對流來調(diào)節(jié)溫度,如金屬冶煉、玻璃制造、電子電器生產(chǎn)等。汽車散熱系統(tǒng)汽車引擎產(chǎn)生大量熱量,需要通過水泵帶動的強制對流散熱來保證發(fā)動機安全穩(wěn)定工作。電子設(shè)備散熱高功率電子設(shè)備如CPU、顯卡等,需要通過強制對流散熱器或風(fēng)扇來維持正常工作溫度。影響對流換熱的重要參數(shù)1流體流向與速度流體的流向和速度是影響對流換熱的關(guān)鍵因素，確定了傳熱過程的強弱。2物理性質(zhì)流體的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理特性也會極大影響對流換熱。3邊界條件固體表面溫度、流體入口溫度等邊界條件的設(shè)置對對流換熱很重要。4幾何因素物體形狀、尺寸、表面粗糙度等幾何參數(shù)也會影響對流傳熱。對流換熱的熱傳導(dǎo)學(xué)分析1傳熱通路分析對流換熱過程中，熱量通過導(dǎo)熱、對流和輻射三種方式進行傳遞。需要分析各種傳熱方式的相對重要性及其相互關(guān)系。2溫度梯度分析對流過程中存在復(fù)雜的溫度分布，需要對流場和溫度場進行耦合分析，準(zhǔn)確描述溫度梯度變化。3邊界條件分析對流換熱過程中的邊界條件非常復(fù)雜，需要根據(jù)實際情況設(shè)定合適的邊界條件進行熱傳導(dǎo)分析。對流換熱的流體力學(xué)分析1邊界層分析研究對流換熱過程中流體邊界層的流動狀態(tài)和特性2動量傳遞分析探討流體動量在換熱界面的傳遞機制3熱量傳遞分析分析流體熱量在換熱界面的傳遞過程對流換熱的流體力學(xué)分析集中在研究流體邊界層的特性、動量傳遞機制和熱量傳遞過程。通過邊界層分析可以了解流體的流動狀態(tài),動量傳遞分析可以揭示流體動量在換熱界面的傳遞規(guī)律,熱量傳遞分析則可以闡明熱量在換熱界面的傳遞過程。這些分析為對流換熱過程的深入理解提供了理論基礎(chǔ)。對流換熱的工程應(yīng)用制冷與空調(diào)對流換熱在制冷和空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,通過吸收和釋放熱量實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)各種生產(chǎn)工藝都需要對流換熱,如冶金、化工、石油等行業(yè)中的加熱、冷卻、蒸發(fā)等過程。汽車與航空對流傳熱在