第三节对流换热

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,*,第三节 对流换热,基本概念及牛顿公式,对流换热,：,指流体,(,气体或液体,),与固体表面,直接接触,时，由于,温差,引起的相互之间的热能传递过程。,导热与对流同时存在的复杂热传递过程；,必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差；,壁面与流体交界处会形成速度梯度很大的,边界层,。,边界层,流体沿着壁面流动可分为两个区域：,1,）紧靠壁面的薄层，具有较大的流体速度梯度或温度梯度，称为边界层。,2,）边界层以外的主流区域，主流速度均匀，主流温度一定，梯度均为零。,速度边界层的特征,：,流体速度从,0w,f,，受内摩擦力影响大，具有较大的速度梯度。,层流,：,有规则的分层流动,，,在与壁面垂直的方向上速,度为零，故无对流，,热量,的传递主要依靠传导，与,流体的流速无关。,紊流,：随着流体的流动，边界层厚度增加，过渡到紊流层，由于惯性力的作用，流体运动加剧，在壁面法线方向具有速度，从而具有了较强的对流作用，,而在紊流状态下，垂直于壁面的方向上不仅有导热，而且也有热对流，并且就一般流体来说，垂直于管壁方向上的热对流起主导作用。,热边界层的特征,速度边界层概念推广用于热交换过程，可得到热边界层，也称为温度边界层。,热边界层在沿壁面的法线方向上具有较强的温度梯度，温度变化较大，温度从,t,w,t,f,。,牛顿公式,牛顿公式指出，对流换热量,Q,和对流换热面积,F,及温度差,t,成正比,。,Q,在单位时间内，壁面面积和流体之间的对,流换热量；,t,壁面的平均温度和流体的平均温度之差；,沿,F,的平均对流换热系数。,我们称：,1/(,F),为对流换热的热阻,影响对流换热系数的因素,流体的物性,：,，,Cp,、,：,、,Cp,，流体载热能力，,。,：,，边界层的厚度,，热阻，,。,流体的速度,w,：,w,，,层流底层厚度,，,热阻,，,导热,；且流体内相对位移加剧，对流,，,。,壁面的几何尺寸、形状和位置,常用的对流换热准则,流体运动相似准则,雷诺准则,：,表示流体的惯性力与粘滞阻力的比值，用,Re,可以推测流体的运动状态。,Re,大说明惯性力大，流态往往呈紊流；,Re,小说明内摩擦力大，流态往往呈层流。,葛拉晓夫准则,：,（,g,t,）是单位质量流体的浮升力，因此,Gr,准则是表征流体所受浮升力大小对换热影响的准则。,Gr,大，说明浮升力大，流体自由流动激烈，自然对流换热较强；,Gr,小，则自然对流换热较弱。因此,Gr,是研究自然对流换热的重要准则。,热相似准则,普兰特准则,：,（,a,为导温系数）,Pr,是由流体重要的物性量组成，是一个表征流体物性对流体内部温度场影响的准则。,Pr,大，则表示为粘性大而导温能力,弱,的流体；,Pr,小,，则表示为粘性小而导温能力,强,的流体。一般,Pr,近似是个常数。,努谢尔准则,：,Nu,中既包括了对流换热系数,又包含了导热系数,，,表示边界层的导热热阻与对流换热热阻的比值。由于包含对流换热系数，,故称,Nu,为待定准数。在计算过程中，只要求出,Nu,准数，即可计算对流换热系数,。,对流换热准则方程,各准则,Re,、,Gr,、,Pr,、,Nu,之间具有以下关系式：,F(Nu,，,Pr,，,Gr,，,Re)=0,即,Nu=,f(Re,，,Pr,，,Gr,),自然对流换热中，,Gr,起主要作用，而,Re,可忽略不计，则可得：,Nu=,f(Gr,，,Pr),受迫对流换热中，一般自然对流很弱，可忽略不计，,Gr,不必考虑，,Re,起主要作用，则可得：,Nu=,f(Re,，,Pr),定性温度和定性尺寸,定性温度：,决定准数中物理参数数值大小的温度。,流体与壁面的平均温度；即,t=(,t,w,+ t,f,)/2,固体壁面的温度,t,w,。,流体的平均温度,t,f,。,定性尺寸：对流体流动有决定意义的固体壁面与流体相接触的几何尺寸。,流体沿垂直壁自然换热时，取壁的高度。,当流体横向掠过圆柱管时，取圆柱的外径。,当流体纵向掠过圆柱管时，取流动方向管壁,的长度。,计算方法：,a,）查各种条件下的准数方程，计算出,Nu,。,b,）利用 ，计算出,。,c,）利用牛顿冷却定律计算出,Q,或,q,。,无限空间中的自然对流换热,准则方程：,Nu,m,=,C(Gr,Pr),m,n,定性温度为流体与壁面的平均温度,t,m,。,定性尺寸根据壁面的形状和位置判断。,式中的系数,C,和指数,n,的值，可根据壁面形 状、位置及,(,Gr,Pr),m,数值范围查取。,