版10傳熱學(xué)1對流換熱a

1、傳熱學(xué)Heat transfer張能源與動力學(xué)院Lecture 10Chapter 5 Single Phase FluidConvective Heat Transfer第五章單相流體對流換熱Focus of This Lecture9自然/強(qiáng)迫對流換熱差異本講要點(diǎn)ü 強(qiáng)化對流換熱簡介ü 有限空間自然對流換熱ü 自然對流換熱相似特征數(shù)5-4 自然對流換熱一、概述（1）自然對流的起因度靜止的流體，與不同溫的固體壁面相接觸，熱邊界層內(nèi)、外的密度差形成浮升力（或沉降力）p 溫差固體壁面與流體的是自然對流的根本fB=(rf- gr )= rgbD研討問題1與強(qiáng)迫對流換熱

2、過程相比，自然對流換熱過程在邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布有何特征？導(dǎo)致這種差異的機(jī)理？與強(qiáng)迫對流換熱過程相比，描述自然對流換熱過程的方程有何差異，相似特征數(shù)是什么？樹以豎壁強(qiáng)迫對流和自然對流為例 y = 0 u = 0 y = 0 u = 0T= y = d u = 0wTT=wT=yuTu¥¥TT=¥Ty 導(dǎo)致這種差異的機(jī)理: 起因不同y =d 或dt（2） 邊界層的特征p 速度邊界層的厚度與熱邊界層的厚度相等p 速度邊界層內(nèi)速度分布在內(nèi)部呈現(xiàn)峰值p 在邊界層邊緣處，依然具有強(qiáng)迫對流邊界層的特點(diǎn)¶u = 0¶T¶p = 0= 0y&

3、#182;y¶y¶y二、自然對流換熱的數(shù)學(xué)描述(1) 豎壁上自然對流換熱邊界層微分方程組x¶u + ¶u = 0¶x¶ yr¶ 2T¶T¶T+ u=ua¶x¶y¶y 2在動量方程中，溫度差誘導(dǎo)作用機(jī)制?的yuæ¶ur +¶mu=ö-¶p +¶ 2uçu ¶x¶y ÷g-¶y 2èø¶xx注意到動量方程中的的特征 ¶p /

4、2; y= 0梯度項靜止流體中的受力分析pr¥g p (x)yx(+pxuæ¶ur +¶mu=ö-¶p +¶ 2uç u ¶x¶y ÷g-2èø¶x¶yu æ¶ru +r¶mu=ö(-)¶ 2uç u ÷¥g+2è¶x¶y ø¶y¶p = 0¶ydp=-r¥ g dxxp 假設(shè)：密度與溫度

5、保持線性體積膨脹系數(shù)：-1 æ ¶r öæ1¶V ö =b (= dV /)V=ç÷ç÷r è ¶T ø pèV¶T ø pdTyuæ¶ur +b¶u=ö( -)m ¶ 2uç u÷ gT¥T+2è¶x¶y ø¶yr¥ - r = -rbT( ¥ -T)u æ¶ru +

6、r¶mu=ö(-)¶ 2uç u ÷¥g+2è¶x¶y ø¶yp 流體物性除浮升力項中的密度外均為常量 Boussinesq假設(shè)xy = d ,u ® 0, u ® 0;T ® T¥ , r ® r¥yæ¶u¶u ö¶2uç u ¶x + u ¶y ÷ = gb (T - T¥ )+n ¶y2èør

7、æ¶u + u ¶u ö = r b ( -)+ m ¶ 2uç u ¶x¶y ÷gTT¥¶y 2èø(2)描述自然對流換熱的相似特征數(shù)引入無量綱參數(shù)-相似特征數(shù)推導(dǎo)的重要：xyX=, lY,luu=U ,u0TV,u0參考速度并無明確定義！-TfQ=-TTfw= - l æ ¶Q öl ç ¶Y ÷hxèøw, x¶U + ¶V= 0¶Y¶Xgb

8、 (Tw - Tf¶U¶U)l1 ¶2U+ V=+Re ¶Y 2U ¶X¶Y¶Qu20¶Qa ¶2Q¶2Q1+ V=U¶X¶Yu l ¶Y 2Re Pr ¶Y 20gb (Tw - Tf )læ u0l ö2gb (Tw - Tf )l3Gr =× ç÷=u2è nøn 2 0曉夫數(shù)l物理意義表征浮升力與黏性力比值的一種度量gb(Tw-Tf )æul 0lö2gb(T

9、w-Tf )3Gr =× ç÷=u2è nøn 2 0p 流態(tài)判據(jù)層流：Gr Pr < 108湍流：Gr Pr > 1010過渡區(qū)：108 < Gr Pr < 1010¶æQö=ç-¶Y N÷ uxèøw= 0,x¶U + ¶V¶X¶U¶YGr¶U1 ¶2U+ V=+U¶X¶YRe ¶Y 2Re21 ¶¶Q¶QQ2

10、+ V ¶=U ¶XP¶rY 2YRep 在自然對流中，Re不是一個的準(zhǔn)則，而是Gr的函數(shù)，參考速度 u0 是由浮升力引起的Nu=f (Gr, Pr)Nu=f (Gr, Re, Pr)三、大空間自然對流換熱Nu = C(Gr × Pr)n = CRan ;Tw = const自然對流湍流換熱自?；F(xiàn)象注意: 對于自然對流湍流換熱,準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為:x利用該特性，湍流自然對流換熱的實驗研究可以采用的物體進(jìn)行，只要求實驗現(xiàn)象的 GrPr 值處較小于湍流范圍自然對流湍流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型無關(guān)gb(T w -Tf ) 3Grx =n 2Nux= h xx =G

11、xrPr1)3l C(四、有限空間中的自然對流換熱有限空間自然對流換熱：熱由封閉的有限空間高溫壁傳到它的低溫壁的換熱過程p 靠近熱壁的流體因浮升力而向上運(yùn)動，靠近體則向下的流p 有限空間中的自然對流換熱是熱壁與兩個自然對流過程的組合間（1） 豎直夾層p 夾層厚度與高度比較大(大于0.3)冷熱兩壁的自然對流邊界層互相干擾?？砂礋o限空間自然對流換熱規(guī)律分別計算冷、熱兩壁的自然對流換熱及夾層總熱阻p 夾層厚度與高度比較小(小于0.3)夾層內(nèi)冷、熱壁上兩股邊界層相互結(jié)合和影響，出現(xiàn)行程較短的環(huán)流；夾層中可能有若干個環(huán)流（2）水平夾層p 熱面在上冷熱面之間無導(dǎo)熱問題分析發(fā)生；若無外界擾動，則應(yīng)按p 熱面

12、在下Grd<1700，自然對流難以形成，可按導(dǎo)熱問題分析Grd>1700 ，形成相互交替上升和下降的對流，呈現(xiàn)有序的蜂窩狀分布的環(huán)流；Grd>5000 ，蜂窩狀分布的環(huán)流消失，出現(xiàn)湍流研討問題2與固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量相比，測量氣體導(dǎo)熱系數(shù)將會什么樣的難點(diǎn)？簡要分析一下如何克服上述問題。有限空間中的自然對流換熱的計算通常把兩側(cè)的換熱用一個當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)來表示：TwT2 夾層的熱壁和w1、溫度he 當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W/m2K封閉夾層空間自然對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：nh ddæö()mel+Nud=CGrPrç÷dè H ø

13、：d定性溫度：定型=Tw 1Tw2Tm2H 垂直夾層高度 m= he( Tw1-)Tw2封閉夾層的換熱強(qiáng)弱也用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)表示：q = h (T)= hedl (T)= Nu()ld- T- T- TTdew1w1w1w2w2w2ldNud = lelq = le (Tw1 - T)dw2例題溫度為371，面積為 0.3´0.3m2 的鐵板，從熱處理爐中取出，水平懸掛在空氣中自然冷卻，車間內(nèi)溫 度為28，求其對流換熱的散熱量。例題有一封閉水平夾層，內(nèi)部抽氣后氣壓為30000Pa，夾層為正方形，邊長為0.5m，兩壁間距為0.04m，溫度分別為60和40，試計算兩壁間的對流換熱 量，并與未抽氣前自然對流換熱速率進(jìn)行比較?；旌蠈α鲹Q熱簡介在重力場（或離心力）中，在任何非定溫的受迫對流過程中，由于流體各部分溫度的差異而出現(xiàn) 密度差 引起不同程度的自然對流p 在受迫對流換熱中，若流速和動量轉(zhuǎn)移率很大，則自然對流換熱的以忽略p 若密度差很大，則浮升力（或離心力）引起的自然對流的能大到無需考慮受迫對流的