对流换热分析1

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,TSINGHUA,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5-1 对流换热概述,第五章,对流换热分析,一、对流换热,（Convection heat transfer）,对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量,传递过程,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,热对流,：流体中温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象,电子器件冷却,再生冷却的火箭发动机,超临界直流锅炉,航空航天技术,电阻电热推进器,微型电阻电火箭,气化腔：100050010m 加热功率：40W,加热电阻：8204402m,加热时间：10,s1ms,管壳式换热器,Casting Process,室外墙热量热量传递,太阳直射辐射,大气长波辐射,太空散射辐射,对流换热,地面反射辐射,环境长波辐射,地面长波辐射,壁体得热,室内表面与空气的热平衡关系示意,对流换热的特点：,(1),导热与热对流同时存在,的复杂热传递过程,(2) 必须有,直接接触,（流体与壁面）和,宏观运动,；,也必须,有温差,(3) 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,；,热边界层,对流换热的基本计算式,牛顿冷却公式（1701）,表面传热系数（对流换热系数）, 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面,面积上、单位时间内所传递的热量,如何确定,h,及增强换热的措施是对流换热的核心问题,研究对流换热的方法：,（1）分析法,（2）实验法,（3）比拟法,（4）数值法,二、,对流换热的影响因素及对流换热的分类,对流换热：导热 + 热对流,对流换热的分类：,影响因素,：流动起因、,流动状态、流体有无相,变、换热表面的几何因,素、流体的热物理性质,等,1、流动起因：,自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差,异所产生的流动,强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用,所产生的流动,（Free convection）,（Forced convection）,2、流动状态：,（Laminar flow）,流体运动的两种形态：,层流运动、湍流运动,层流运动,：流体质点的运动轨迹光滑而有规则；各部分的分层流动互不掺混、扰动，流场是稳定的,（紊流）,（Turbulent flow）,湍流运动,：,与层流运动相反；,是很粗糙的、不规则的、混乱的、随机性的流动,流体质点做复杂无规则的运动,Dye injection,High flow,Turbulent,Osborne Reynolds, Phil. Trans. Royal Soc., 1883,Animation Example - Turbulence,Low flow,Laminar,3、流体有无相变：,单相换热：,相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,（Single phase heat transfer）,（Phase change）,（Condensation）,（Boiling）,4、换热表面的几何因素：,内部流动对流换热：管内或槽内,外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,流体的热物理性质对换热的影响：,热导率,密度,比热容,动力粘度,运动粘度,体胀系数,综上所述，表面传热系数是众多因素的函数,对流换热分类,三、对流换热过程微分方程式,当粘性流体在壁面上,流动时，由于粘性的,作用，流体的流速在,靠近壁面处随离壁面,的距离的缩短而逐渐,降低；,在贴壁处被滞,止，处于无滑移状态,（即：,y,=0,u,=0,）,在这极薄的贴壁流体层中，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：,根据牛顿冷却公式：,由傅里叶定律与牛顿冷却公式：,对流换热过程,微分方程式,对流换热过程,微分方程式,h,x,取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度,温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（层,流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。,温度场取决于流场,速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：,连续性方程、动量方程、能量方程,5-2 对流换热过程的数学描述,假设：a) 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,4个未知量,：速度,u、v,；温度,t,；压力,p,连续性方程（1）,动量方程（2）,能量方程（1）,（即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体）,b) 所有物性参数（,、,c,p,、,）为常量,需要4个方程,一、连续性方程,（Continuity equation）,M,为质量流量 kg/s,流体的连续流动遵循质量守恒规律,从流场中 (,x, y,) 处取出边长为,dx,、,dy,的微元体, 单位时间内、沿,x,轴,方向、经,x,表面流入微,元体的质量,单位时间内、沿,x,轴方向、经,x+dx,表面流出微元体的质量,单位时间内、沿,x,轴方向,流入微元体的净质量：,单位时间内、沿,x,轴方向流入微元体的净质量：,单位时间内、沿 y,轴方向流入微元体的净质量：,单位时间,x,轴方向净质量：,单位时间 y,轴方向净质量：,单位时间内微元体,内流体质量的变化:,微元体内流体质量守恒：,流入微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化,单位时间内,二维连续性方程,对于二维、稳态流动、密度为常数时：,三维连续,性方程,二、动量微分方程,（Momentum equation）,牛顿第二运动定律,：作用在微元体上各外力的总,和等于控制体中流体动量的变化率,动量微分方程式描述流体速度场, 动量守恒,作用力 = 质量,加速度（,F=ma,）,作用力：体积力、表面力,体积力,：重力、离心力、电磁力,表面力,：粘性引起的切向应力,和法向应力、压力等,法向应力,中包括了压力,p,和,法向粘性应力,ii,压力,p,和法向粘性应力,ii,的区别：,a) 无论流体流动与否，,p,都存在；而,ii,只存在于流动时,b) 同一点处各方向的,p,都相同；而,ii,与表面方向有关,动量微分方程 Navier-Stokes方程（N-S方程）,(1) 惯性项（,ma,）；(2) 体积力；,(3) 压强梯度；(4) 粘滞力,对于稳态流动：,只有重力场时：,三、能量微分方程,（Energy equation）,微元体的能量守恒：,能量微分方程式描述流体温度场, 能量守恒,导入与导出的净热量 + 热对流传递的净热量 +,内热源发热量 = 总能量的增量 + 对外,作,膨胀功,Q,=,E,+,W,（1）压力作的功：,a) 变形功；b) 推动功,W ,（2）,表面应力（法向+切向）作的功：a) 动能；b),体积力(重力),作,的功,表面力,作,的功,Q,=,E,+,W,Q,=,E,+,W,（1）压力作的功：,a) 变形功；b) 推动功,W ,（2）,表面应力（法向+切向）作的功：a) 动能；b),体积力(重力),作,的功,表面力,作,的功,假设：（1）流体的热物性均为常量,耗散热,一般可,忽略,（2）流体不可压缩,（4）无化学反应等内热源,变形功=0,U,K,=0、,=,0,Q,内热源,=0,（3）一般工程问题流速低,Q,导热,+,Q,对流,= ,U,热力学能,+ 推动功 = ,H,Q,导热,+,Q,对流,= ,H,耗散热（,）,：由表面,粘性应力产生的摩擦力而,转变成的热量,微元体的能量守恒：,单位,时间内、,沿,x,轴方向导入与导出微元体净热量：,单位,时间内、,沿 y,轴方向导入与导出微元体净热量：,导热,+,对流,= ,H,单位时间内微元体的能量守恒：,单位,时间内、,沿,x,方向热对流传递到微元体的净热量：,单位,时间内、,沿 y,方向热对流传递到微元体的净热量：,微元体的能量守恒：,单位,时间内、微元体内焓的增量：,导热,+,对流,= ,H,导热,+,对流,= ,H,微元体的能量守恒：,能量微分方程式,（常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体）,柱坐标下的能量微分方程式,（常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体）,对流换热微分方程组,（常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体）,4个方程，4个未知量 可求得速度场和温度场,既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）,表面传热系数的确定方法,（1）微分方程组,表面传热系数的确定方法,（2）微分方程式的数学解法,a）,精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到,边界层微分方程组 常微分方程 求解,b）,近似积分法：,假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程,c）数值解法：近年来发展迅速,可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速,（3）动量传递和热量传递的类比法,利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍,流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数,（4）实验法,用相似理论指导,四、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,单值性条件包括四项：,几何、物理、时间、边界,完整数学描述,：对流换热微分方程组 + 单值性条件,1、几何条件,平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等,说明对流换热过程中的几何形状和大小,2、物理条件,如：物性参数,、, 、,c,和,的数值，是否随温度,和压力变化；有无内热源、大小和分布,说明对流换热过程的物理特征,3、时间条件,稳态对流换热过程不需要时间条件 与时间无关,说明在时间上对流换热过程的特点,、边界条件,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,（1）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,（2）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,