热量学charpter5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,*,第五章,对流换热,convection heat transfer,对流换热:,流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换,.,对流换热以牛顿冷却公式为其根本计算式,既,或对于面积为A的接触面,其中,t,为换热面积A上的平均温差.约定,q,及,总是取正值,因此,t,及,t,m,也总是取正值.,5-1 对流换热概说,一.对流换热的分类,1.按动力分,强制对流,(,forced convection):,由于泵,风机,或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热,.,自然对流(,natural convection):,由于流体的密度差产生的浮力作用产生的流体流动换热.,2.按有无相变分,单相介质传热:对流换热时只有一种流体,.,相变换热:传热过程中有相变发生,.,物质有三态,固态,液态,气态或称三相,.,相变换热有分为:,沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生的换热.,混合对流(,mixed convection):,自然对流和强制流动,换热并存.,凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为液态时发生的换热.,熔化换热(melting heat transfer),凝固换热(solidification heat transfer),升华换热(sublimation heat transfer),凝华换热sublimation heat transfer,3.按流动形式分,层流流动换热(laminar heat transfer)湍流流动换热(turbulent heat transfer),4.按几何形状,管内(槽道内)流动(flow in ducts),外部绕流(around vertical plant),对流换热的分类表,二、对流传热的根本公式化(h 确实定方式),无滑移边界条件,令上两式相等那么有,那么,5-2,对流换热问题的数学描写,一、假设条件,为简化分析,对于影响常见对流换热问题的主要因素,做如下假设(1)流动是二维的;(2)流体为不可压缩的牛顿行流体;(3)流体物性为常数,无内热源;(4)流速不高,忽略粘性耗散(摩擦损失);(5)二维,二、能量方程的推导.,微元控制体,利用热力学第一定律有,导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增,在,x,方向上导入的净热量有,在y方向上导入的净热量,在x方向上流入的净热量,略去高次项后得,代入热力学第一定理得,单位时间内的微元控制体内的焓增,同理得Y方向上的净热量,三.对流换热微分方程组.,1,.连续性方程(continuity equation),2.动量方程(momentum equation),惯性力(inertial force),体积力,(body force),压力梯度,(pressure,gradient),粘性力,(viscous force),3.能量守恒方程,energy equation),能量变化,对流项,导热项,4.换热微分方程,未知量：,u,v,p,t,h,方程：五个,方程组是封闭的,可求解,实际的变量只有四个,u,v,p,t,在方程上与,h,无,关,.,强烈非线性,四.定解条件.,1.初始条件,2.边界条件:,第一类边界条件,规定边界上流体的温度分布.,第二类边界条件,给定边界上加热或冷却流体的,热流密度.,为何不用第三类边界条件？,五、求解方法,解析解：解微分方程组,数值解：:用计算机,实验方法理论分析法与实验相结合,比较法,六、影响对流换热的因素,流速：V h V=0 无对流,物性表征物质物理特性的物理量,密度density)，粘性viscosity)，热导率(thermal conductivity)，比热specific heat capacity)等其他条件相同时，不同的流体换热量不同，就是因为物性不同,流体及壁面温度,定性温度reference temperature),流动状态，层流，紊流,壁面形状,位置,形状(平板,圆管)位置(横放,竖放,管内,管外),综上所述,Newton cooling law 只是一重处理方法,既将许多矛盾都加在,h,上。以后对流换热的内容实际都是讨论,h,如何确定.,特征尺度character dimension),层流,过渡流,（旺盛）湍流,对于管流,平板,Re,=2,10,5,到310,6,之间，一般取510,5,定性温度reference temperature),5-3,边界层分析及边界层微分方程组,一.边界层的概念,1.流动(速度)边界层：,靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层,边界层的厚度(boundary layer thickness):,到达主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离,边界层的特点,(1)有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.,分界点 Rec=3X1053X106,一般 可取Rec=5X105,在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层粘性底层,(2),=,(,x,),x ,(,x,),(3),(,x,),x ,(,L,),热扩散,粘性扩散热扩散,平板温度场,t=t,(,x,y,),故,h,=,h,(x),既换热外表不同位置的对流换热系数不同,故将h(x)称为在x处的局部对流换热系数.,局部对流换热系数,(,local heat transfer coefficient).,平均对流换热系数(,average,heat transfer coefficient),以后除非特殊声明外,我们所说的对流换热系数皆指平均对流换热系数,以 h 表示.,h(x)规律说明,Laminar region x (x)h(x)导热,Transition region 扰动 h(x),Turbulent region 湍流局部的热阻很小,热阻主要集中在 粘性底层中.,由上述分析可见,边界层控制着传热过程,故一些研究人员试图通过,破坏粘性底层来到达强化传热的目的,并取得了一些成果.,二、边界层微分方程组.,牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力.,完性分析：u，t，l 的量级为0(1),，t 的量级为0(,以此五个量为分析根底。,故,故,的平均值为,故,由连续性方程,那么,故,的数量级全为1，那么,这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致,x,方向的动量扩散可以忽略,最后，我们得到,x,方向的导热可以忽略,其中dp/dx是量，可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定忽略重力或平面流动,边界条件,上述方程的求解结果层流及局部换热系数为,1908,Blasius,1921,Pohlhausen),上式改写为,无量纲量 称为努塞尔Nusselt数，记为Nux,于是，外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为,上式称为特征数方程，习惯上称为准那么方程或关联式。,