传热学第五章3ppt课件

第五章第五章 对流换热对流换热1 1 对流换热的性质对流换热的性质 对流换热实例：对流换热实例：1)1)暖气管道暖气管道;2)2)电子器件冷却；电子器件冷却；3)3)电风扇电风扇 对流换热与热对流不同，既有热对流，对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式也有导热；不是基本传热方式(1)(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2)(2)必须有直接接触流体与壁面和宏观运必须有直接接触流体与壁面和宏观运动；也必须有温差动；也必须有温差 (3)(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2 2 对流换热的特点对流换热的特点5-1 5-1 对流传热概说对流传热概说 2 2 表面传热系数对流换热系数）表面传热系数对流换热系数）当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量壁面面积上、单位时间内所传递的热量)(ttAhwC)(mW2 xAq dAwfxxAhttdAwfwfxtttt常数wfxAtth dA1xAhh dAAwfxxxqhtt)CmW 2（处局部表面传热系数壁面xhx11ppvvtt wf,hfuttcl5 对流传热的研究方法 （1分析法 （2实验法 （3比拟法 （4数值法6 6 对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式壁面无滑移状态壁面无滑移状态（即：（即：y=0,u=0y=0,u=0）贴壁极薄流体层中，热量只能以导热方式传递贴壁极薄流体层中，热量只能以导热方式传递根据傅里叶定律：根据傅里叶定律：2,mW xwxwytq根据傅里叶定律：根据傅里叶定律：xwxwytq,根据牛顿冷却公式：根据牛顿冷却公式：2,mW )(-tthqwxxw由傅里叶定律与牛顿冷却公式：由傅里叶定律与牛顿冷却公式：)C(mW 2,xwwxyttth对流换热过程对流换热过程 微分方程式微分方程式 流体导热系数流体导热系数与导热问题第三类边界条件的区别速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：xwwxyttth,对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式hx hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度hx hx 与流场速度有无关系？与流场速度有无关系？5-2 5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述 b)b)流体为不可压缩的牛顿型流体流体为不可压缩的牛顿型流体为便于分析，只限于分析二维对流换热为便于分析，只限于分析二维对流换热 yuc)c)所有物性参数（所有物性参数（、cpcp、）为常量）为常量4 4个未知量个未知量:：速度：速度 u u、v v；温度；温度 t t；压力；压力 p p连续性方程连续性方程(1)(1)、动量方程、动量方程(2)(2)、能量方程、能量方程(3)(3)需要需要4 4个方程个方程:a)a)流体为连续性介质流体为连续性介质假设：假设：dxdxx xdydyy y0 02222xuuupuuuvFxyxxy2222yvvvpvvuvFxyyxy0uvxydxxdyy0 xh xdh x+xdx+xyh ydy+ydh y+yddhUptttcuvxy2222ttxy2tat 几点讨论 1.流体静止 2.稳态对流 3.有内热源ptttcuvxy2222ttxy0uvxy2222xuuupuuuvFxyxxy2222yvvvpvvuvFxyyxyptttcuvxy2222ttxy5 5 对流换热过程的单值性条件对流换热过程的单值性条件单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件 单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边境单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边境 完整数学描述：对流换热微分方程组完整数学描述：对流换热微分方程组 +单值性条件单值性条件 (1)(1)几何条件几何条件平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等度、直径等说明对流换热过程中的几何形状和大小说明对流换热过程中的几何形状和大小(2)(2)物理条件物理条件如：物性参数如：物性参数 、c c 和和 的数值，是的数值，是否随温度和压力变化；有无内热源、大小和分否随温度和压力变化；有无内热源、大小和分布布说明对流换热过程的物理特征说明对流换热过程的物理特征(3)(3)时间条件时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件 与时间无关与时间无关说明在时间上对流换热过程的特点说明在时间上对流换热过程的特点(4)(4)边界条件边界条件 说明对流换热过程的边界特点说明对流换热过程的边界特点边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件a a 第一类边界条件第一类边界条件 已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值b b 第二类边界条件第二类边界条件已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值w,tf x y zw,qf x y z5-3 5-3 边界层型对流传热问题的数学描写边界层型对流传热问题的数学描写 小：空气外掠平板，小：空气外掠平板，u u=10m/s=10m/s：mm5.2 ;mm8.1200100mmxmmx边界层内：平均速度梯度很大；边界层内：平均速度梯度很大；y=0y=0处的速度梯度最大处的速度梯度最大1 1 流动边界层流动边界层0.99uul由牛顿粘性定律：由牛顿粘性定律：边界层外：边界层外：u u 在在 y y 方向不变化，方向不变化，u/u/y=0 y=0 流场可以划分为两个区：流场可以划分为两个区：边界层区：边界层区：N-SN-S方程方程主流区：主流区：u/u/y=0y=0，=0=0；无粘性理想流体；无粘性理想流体；欧拉方程欧拉方程yu速度梯度大，粘滞应力大速度梯度大，粘滞应力大 粘滞应力为零粘滞应力为零 主流区主流区边界层概念的基本思想边界层概念的基本思想临界距离临界距离xc xc：层流边界层：层流边界层向湍流边界层过渡的距离向湍流边界层过渡的距离平板：平板：湍流边界层：湍流边界层：临界雷诺数：临界雷诺数：Reccccxuxu Re粘性力惯性力565105Re ;103103Recc取粘性底层层流底层）粘性底层层流底层）uxccRe流动边界层的几个重要特性流动边界层的几个重要特性(1)(1)边界层厚度边界层厚度 L 1 “”“”相当相当于于例：二维、稳态、强制对流、层流、忽略重力例：二维、稳态、强制对流、层流、忽略重力tl、yxuvu沿边界层厚度由0到u:由连续性方程：)1(0uu)1(0luxuyv)(0 v2222ytxtytvxtucp)()()22222222yvxvypFyvvxvuyuxuxpFyuvxuuyx（xu0yv(a)0yvxu(b)()2222yuxuxpyuvxuu（(c)()2222yvxvypyvvxvu（11）（）（221 11 1 11 1 1）（）（222 1 1 1 121 0yvxu22)yuxpyuvxuu（(d)()2222ytxtytvxtucp（）（）（221 11 1 11 1 12t22)ytytvxtucp（边界层内任一截面压力与 y 无关而等于主流压力dxdpxp 22)yuxpyuvxuu（221yudxdpyuvxuu层流边界层对流换层流边界层对流换热微分方程组：热微分方程组：3 3个方程、个方程、4 4个未知个未知量：量：u u、v v、p p、t t，方程不封闭方程不封闭 0yvxu221yudxdpyuvxuu22ytaytvxtu212pu常常数数dpduudxdx 例如：例如：twttuuyttuuxttvuyw,0,0,00求解上述方程组求解上述方程组(层流边界层对流换热微分方程组层流边界层对流换热微分方程组)，可得局部表面传热系数可得局部表面传热系数 的表达式的表达式utxh3121332.0axuxhx留意：层流留意：层流3121332.0axuxhx 3121PrRe332.0 xxNu 5-4 5-4 流体外掠平板层流换热分析解流体外掠平板层流换热分析解边界条件为边界条件为3121332.0axuxhx 3121PrRe332.0 xxNu 特征数方程特征数方程 或准则方程或准则方程xhNuxx努塞尔努塞尔(Nusselt)(Nusselt)数数xuxRe雷诺雷诺(Reynolds)(Reynolds)数数aPr普朗特数普朗特数注意上面准则方程的适用条件：注意上面准则方程的适用条件：外掠等温平板、无内热源、层流外掠等温平板、无内热源、层流01dlxhhxl1/201 dlC xxl1/22 2x lC lh22lx lhlhlNuNu1/21/30.664NuRePrmw12ttt3121332.0axuxhx1 边界层积分方程边界层积分方程 1921年，冯年，冯卡门提出了边界层动量积分方程。卡门提出了边界层动量积分方程。1936年，克鲁齐林求解了边界层能量积分方程。年，克鲁齐林求解了边界层能量积分方程。近似解，简单容易。近似解，简单容易。比拟理论比拟理论（自学）（自学）第五章作业第五章作业1 1，2 2，8 8