對流換熱一課件

一、對流換熱基本理論1、影響h的因素

1）流動的起因和流動狀態(tài)：自然對流、受迫對流和混合對流；

2）流體的熱物理性質：導熱系數、密度、比熱容等，尤其注意定性溫度的選擇，不同關聯式是不同的；

3）流體的相變：相變時為凝結、沸騰換熱；

4）換熱表面幾何因素：壁面尺寸，形狀，流體的位置（外略或內流），尤其注意定型尺寸的選擇（對換熱有決定意義的特征尺寸）

牛頓型流體：服從定律的流體。

非牛頓型流體：血液、泥漿、油漆等。

一、對流換熱基本理論1、影響h的因素1綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂凳潜姸嘁蛩氐暮瘮担?-1綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂凳潜姸嘁蛩氐暮瘮担?-12脈絡1）對流換熱的影響因素對流換熱微分程組連續(xù)性方程(保證質量守恒)動量方程(保證流體受力符合牛頓第二定律)能量方程(保證流體能量守恒)對流換熱過程微分方程(溫度場與對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂档年P系)

流體內溫度與速度分布導熱微分方程

導熱物體內溫度分布對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?）對流換熱微分方程組的簡化流動邊界層速度邊界層(定義、特性）溫度邊界層(定義、特點）邊界層內對流換熱微分程組某些簡單問題的解2）對流換熱微分方程組脈絡1）對流換熱的影響因素對流換熱微分程組連續(xù)性方程(保證質32、對流換熱過程微分方程式

傅里葉定律：

牛頓冷卻公式：注意：與第三類邊界條件的區(qū)別，一類，二類？表面?zhèn)鳠嵯禂禍囟葓鏊俣葓霎斦承粤黧w在壁面上流動時，由于粘性的作用，流體的流速在靠近壁面處隨離壁面的距離的縮短而逐漸降低；在貼壁處被滯止，處于無滑移狀態(tài)（即：y=0,u=0）形成速度變化很大的貼壁流體薄層.2、對流換熱過程微分方程式當粘性流體在壁面上43、對流換熱微分方程組對象：不可壓縮、常物性、牛頓型流體，二維

連續(xù)性方程：

u方程：

v方程：

t方程：

非穩(wěn)態(tài)項對流項擴散項源項該方程組可以依靠分析解和數值計算兩種方法獲得結果，一直到1904年德國科學家普朗特提出了邊界層理論，分析解才得以實現。3、對流換熱微分方程組該方程組可以依靠分析解和數值計算兩種方54、流動邊界層

1）邊界層厚度處的離壁距離δ

2）邊界層內速度梯度邊界層區(qū)：速度梯度很大，牛頓粘性定律：主流區(qū)：速度梯度很小，τ=0。3）邊界層內流動狀態(tài)層流邊界層、紊流邊界層（層流底層）（理解圖5-7）4）流動邊界層的特性⑴邊界層極薄，其厚度d與壁的定型尺寸l相比極??；⑵在邊界層內存在較大的速度梯度；⑶邊界層流態(tài)分層流與紊流，紊流邊界層緊靠壁處仍將是層流，稱層流底層；⑷流場可劃分為主流區(qū)（由理想流體運動微分方程——歐拉方程描述）和邊界層區(qū)（由粘性流體運動微分方程描述）。4、流動邊界層65、熱邊界層（溫度邊界層）熱邊界層厚度：處的離壁距離。熱邊界層內存在較大的溫度梯度，主流區(qū)溫度梯度為零。對于Pr=1的流體，。5、熱邊界層（溫度邊界層）76、邊界層微分方程（數量級分析后得到）

連續(xù)性方程：

u方程：

t方程：伯努利方程：

對流換熱一課件8層流邊界層對流換熱微分方程組：3個方程、3個未知量：u、v、t，方程封閉如果配上相應的定解條件，則可以求解層流邊界層對流換熱微分方程組：97、外掠平板層流換熱1）速度場邊界層厚度：局部摩擦系數：平均摩擦系數：對流換熱一課件102）溫度場對長度為l的常壁溫平板，平均表面?zhèn)鳠嵯禂担憾ㄐ詼囟龋号R界Re數：，一般可取：2）溫度場118、外掠平板紊流換熱局部摩擦系數：局部表面?zhèn)鳠嵯禂担哼m用條件：全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂颠m用條件：，定型尺寸：板長l，定性溫度：8、外掠平板紊流換熱129、動量傳遞與熱量傳遞的類比1）對于紊流，在，的情況下：（雷諾類比）當時：（柯爾朋類比）

定性溫度：，近似適用于Pr=0.5~50。9、動量傳遞與熱量傳遞的類比13對流換熱微分方程組是屬于數學上最難求解的方程式。

10、相似理論

1）問題的提出因此許多情況下還是要依靠實驗的方法,得出對流換熱中表面?zhèn)鳠嵯禂档暮瘮店P聯式。復雜情況：例如是紊流流動，固體邊界形狀復雜，流體物性變化……，理論分析解不能得出。少數幾種可以求解簡單情況：小雷諾數層流狀態(tài)下繞流圓球、層流時橫掠平板、層流時流體在管內流動等。對流換熱微分方程組是屬于數學上最難求解的方程式。10、142）途徑---試驗便成為解決換熱問題重要的手段，然而，經常遇到如下兩個問題:(1)變量太多A實驗中應測哪些量（是否所有的物理量都測量）B實驗數據如何整理（整理成什么樣函數關系）(2)實物試驗很困難或太昂貴的情況，如何進行試驗？相似原理將回答上述三個問題物理現象相似：對于同類的物理現象，在相應的時刻與相應的地點上與現象有關的同名物理量一一對應成比例。同類物理現象：用相同形式并具有相同內容的微分方程式所描寫的現象。2）途徑---試驗便成為解決換熱問題重要的手段，然而，經常遇153）判別相似的條件（兩現象相似判斷的條件）１、屬于同類現象例如或者都屬于自由對流換熱，或者都屬于強迫對流換熱（微分方程形式相同，邊界條件相同）。２、單值性條件相似（1）幾何條件：是指換熱壁面幾何形狀及尺寸、壁面粗糙度、壁面與流體間的相對幾何關系。（2）物理條件：流體種類和物性（流體種類為已定時，物性由溫度和壓力確定，影響較大者為溫度）。（3）邊界條件:流場進出口溫度、速度、壁溫或壁面熱流通量，流體在壁面上速度。（4）時間條件

對于非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，物理量隨時間而變化，要考慮物理量隨時間變化過程是否相似，若是穩(wěn)態(tài)時不存在時間條件。3、同名的已定準則數對應相等

對于換熱現象，按照是否屬于同類現象、單值性條件相似、同名的已定準則對應相等這三方面考察它們是否相似。3）判別相似的條件（兩現象相似判斷的條件）１、屬于同類現象２16（1）努謝爾特準則

它等于邊界層內無因次過余溫度對于無因次坐標的變化率在固體邊界面上的值,努謝爾特數的大小反映了對流換熱的強弱。4）相似準則（1）努謝爾特準則它等于邊界層內無因次過余溫度17（2）雷諾準則：它反映了流動時慣性力和粘性力的相對大小，受迫流動時流體狀態(tài)是由慣性力與粘性力綜合作用的結果，所以雷諾數大小實際表示著流體流動狀態(tài)，換熱準則方程式中出現了它是表示流動狀態(tài)對換熱的影響。在其它條件相同時，層流狀態(tài)下對流換熱強度小于紊流，同樣紊流，低雷諾數狀態(tài)下對流換熱強度小于高雷諾數的.（2）雷諾準則：它反映了流動時慣性力和粘性力的相對大小，受迫18（3）普朗特準則：

ν、a―流體的運動粘度和熱擴散率，單位均為它的作用可以這樣看出：空氣、水等等流體橫掠過平板時，受流體粘性作用，平板表面將形成速度邊界層和溫度邊界層，沿平板長度方向它反映了速度邊界層與溫度邊界層的相對大小,反映了流體動量傳遞能力和熱量傳遞能力的相對大小。

普朗特數是反映流體物理性質的無因次準則數（3）普朗特準則：ν、a―流體的運動粘度和熱擴散率，單位均19（4）格拉曉夫準則：

式中：

—

流體的容積膨脹系數,1/K.理想氣體時為1/T,

蒸氣、液體時實驗測出，查表格.L—壁面定型尺寸,Δt—Δt=tw-tf

ν—運動粘度

自由流動換熱時，流體與固體壁面之間存在著溫度差別,造成了主流區(qū)域與邊界層內流體密度差別，形成了邊界層內流體運動的浮升力,流體本身的粘性力阻礙了流體運動，格拉曉夫準則的數值反映了浮升力和粘性力的相對大小，它表明了自由流動時流體狀態(tài)對換熱的影響。格拉曉夫準則的數值反映了浮升力和粘性力的相對大小。（4）格拉曉夫準則：式中：—流體的容積膨脹系數,120同理，對于其他情況：自然對流換熱：混合對流換熱：Nu—待定準則數（含有待求的h）Re，Pr，Gr—已定準則數按上述關聯式整理實驗數據，得到實用關聯式解決了實驗中實驗數據如何整理的問題，注意定性溫度和定型尺寸的選取強制對流:同理，對于其他情況：自然對流換熱：混合對流換熱：Nu—待21典型題分析1、把熱水倒入一玻璃杯后，立即用手撫摸玻璃杯的外表面時不感到杯子燙手。但如果用筷子快速攪拌熱水，很快就會覺得杯子燙手，試解釋這一現象。（西建大2005，6分）

表面?zhèn)鳠嵯禂担簭娭茖α?gt;自然對流典型題分析222、的物理意義是什么？式中的是壁面的導熱系數還是流體的導熱系數？（東華2007，4分）答：為對流換熱過程微分方程式，描述了表面?zhèn)鳠嵯禂蹬c流體溫度場的關系，如果知道壁面某處的溫度和溫度場，表面?zhèn)鳠嵯禂稻涂梢源_定了。

λ為流體導熱系數2、的物理意義是什么？式中233、一般情況下粘度大的流體其數也越大，有對流換熱的實驗關聯式可知（c、m、n均為常數，通常），越大，也越大，從而表面?zhèn)鳠嵯禂礹也越大，即粘度大的流體其表面?zhèn)鳠嵯禂狄苍酱蟆＿@與理論分析和試驗結果相矛盾，為什么？（重大2007，10分）

，，，粘度大的流體其表面?zhèn)鳠嵯禂礹小。3、一般情況下粘度大的流體其數也越大，有對流換熱的實244、有一塊長為l=2m，厚度為，材料導熱系數的平板（假定平板在長度和寬度方向上為無限大），平放在絕熱表面上，平板內具有均勻內熱源?，F有平均溫度的11號潤滑油以的速度從平板上表面流過，試計算：⑴潤滑油和平板上表面之間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?；⑵距平板上表面處平板內的溫度；⑶平板內的最高溫度。（重?004，30分）補充：⑴11號潤滑油的物性參數近似選?。海?，Pr=723⑵流體外掠平板強制對流換熱的實驗關聯式：

4、有一塊長為l=2m，厚度為25解：⑴，為層流

⑵平板內導熱微分方程：邊界條件：解得：距平板上表面處平板內的溫度：