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,*,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,第九章 对流换热 p185,9.1 对流,换热基本概念,对流换热,是指“,相对于固体表面流动的”,流体,与,固体表面,之间的,热量传输。,描述：,对流换热,是在,流体流动进程中发生,的热量传递现象,。,它是依靠,流体质点的移动,进行热量传递的,。,与流体的,流动情况,密切相关。,当流体作层流流动时，在,垂直于流体流动方向上,的热量传递，,主要以热传导,（,也,有较弱的自然对流）的方式进行。,第二篇：热量传输,1,对流换热,与,热对流,不同，,对流换热,既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。,对流换热实例：暖气管道、风扇对电子器件冷却等,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,。,第九章 对流换热,第二篇：热量传输,总结：,对流换热：导热+热对流；壁面+流动,2,对流换热的分类：,1.从流动起因分：,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,（Free convection）,强制对流：,由外力（如：泵、风机）作用所产生的流动,（Forced convection）,第九章 对流换热,第二篇：热量传输,3,2.从,换热表面的几何因素,分：,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,3.从流动状态分：,层流,：整个流场呈一簇互相平行的流线。,（Laminar flow）,湍流,：流体质点做复杂无规则的运动。,（Turbulent flow）,4,4.从流体有无相变分：,单相换热：,（Single phase heat transfer）,相变换热：,凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,（Phase change）：Condensation、Boiling,5,6,7,9.1.1 温度边界层,流固界面对流换热：,(1)由于速度边界层的存在，导致温度边界层的产生。,(2)温度边界层与速度边界层厚度一般不相等。,(3)温度边界层同样有层流与紊流之分。,层流：,热量传输以,传导,为主,紊流：,热量传输以,对流,为主,(4)紊流时，温度边界层在壁面法线上有:,层流底层区,，,过渡区,，,紊流区,三个区域。,(5)温度边界层特点：,A:较薄。,B:沿厚度方向温度变化大。,8,速度边界层和温度边界层关系：,1.既有联系，也有区别。,2.温度分布受速度分布的影响，但是它们的分布曲线并不相同。速度边界层厚度和温度边界层厚度不相等。,9,紊流条件下的温度边界层分为三个区域：,（1）紊流区,（p186特点）,（2）过渡区，,（3）层流底层区.,10,9.1.2.牛顿冷却公式 （Newton，1702）,h是对流换热系数,，是一个把众多影响对流换热因素综合而成的系数。,第二篇：热量传输,第九章 对流换热,T,s,T,f,分别为璧面温度和流体温度，,F,是换热面积，,h,是对流换热系数，,Q,是热流量，,q,是热流密度。,11,9.1.3.对流换热系数 h 的计算式,固体壁面处（y=0）,该处的热量传输只有导热。,导热速率,对流换热速率,(9-3),对流换热系数 h 的计算式，也叫“换热微分方程”,12,9.1.4 影响对流换热系数 h 的因素,p187,1,流体的物理性质,：,影响较大的物性如密度,、比热,c,p,、导热系数,、粘度,等；,2,流体的状态,：,液体、气体、蒸汽及在传热过程中,是否有相变,。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；,3,流体的运动状况：,层流、过渡流或湍流,(,Re,),；,4,流体对流的状况：,自然对流，强制对流,；,5,传热表面的形状、位置及大小,：,如管、板、管束、管径、管 长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。,13,注意：,1.流体物理性质与温度有关。,2.用以确定物性的温度称,“定性温度”,。,3.定性温度的选择方式：,可以选择流体的平均温度，,可以选择璧面的平均温度，,可以选择二者的平均温度：,取,T,m,=0.5(T,f,+T,s,),14,9.2 对流换热的数学表达 p189,由能量守恒定律，有如下关系式：,对流输入的热量,对流输出的热量,+,传导输入的热量,传导输出的热量,微元体内能的累积量,15,经推导，最后得到,热量平衡方程,：（9-5）和（9-6）,也叫做,傅立叶-克希霍夫方程（,F-K 方程）,（9-5）,（9-6）,实体导数,傅立叶克希霍夫导热微分方程,条件：1),，,，,c,p,均为常数，不可压缩流体。,2),无内热源，无粘性耗散。,纯固体导热（没有流动）：,（8-10）,16,柱坐标系下的,热量平衡方程,：P.191,(9-7)式（,）,球坐标系下的,热量平衡方程,：P.191,(9-8)式,（）,未知数：T，v,x,v,y,v,z,引入三个动量平衡（N-S）方程 和 连续性方程（引入p）,再加上对流换热微分方程：,观察（9-5）式,热量平衡方程,17,对流换热微分方程组：,F-K 方程 (9-5)式,N-S 方程 (3-47)(3-49)式,连续性方程 (3-44)式,换热微分方程 (9-3)式,未知数：T，v,x,v,y,v,z,，p，h,理论上可以求解。,（见P.191）,18,9.3 流体流过平板时,层流对流换热,p192,9.3.1.平板,边界层对流换热微分方程组,(层流，稳定),换热微分方程（9-3）,F-K方程,（9-9）,N-S方程,（3-94）,连续性方程（3-92）,边界条件,：（平板温度不变）,y=0,时，,v,x,=0,v,y,=0,T=Ts,T,0,2)y=,时，,v,x,=v,T=T,19,从方程组看到，导热微分方程和运动微分方程形式一样，板面温度不变时，边界条件也相似。显然，普朗特数,/,a,表达了速度与温度分布的相似性。,定义,普朗特数(物性准数),普朗特数Pr表示：,动量传输和热量传输能力的相对大小。在边界层理论当中，Pr是速度边界层与温度边界层的相对厚度指标。,Pr 1，,a,T,Pr1，,T,20,方程组精确解,(实际包含了近似处理)示于p.194，图9-8。,图9-8，各种Pr下的平板上层流边界层内的无量纲温度分布,纵坐标无量纲温度,横坐标,关系与Pr有关。,Pr1，温度分布与速度分布规律相同。,21,气体,Pr数一般为0.61，且几乎不随温度变化。,一般液体(水，有机液体等),Pr 1(Pr=250),T,液态金属,Pr 1，0.5时，,(9-15),式,0.006 Pr 0.03 时，,(9-16),式,24,9.3.2.平板边界层对流换热积分方程组 p195（了解）,对于Pr,/,a,1，流体温度T，流速v,，只考虑y方向上的导热,热量积分方程：,(9-18),温度分布：,令,边界条件：,若令,25,得：,或,(9-20),温度分布式,(2),边界层厚度,将上式代回积分方程，并注意到,及,得,26,解之，得,由边界条件：x=x,0,时，,T,0 （,x,0,为温度边界层起始位置,）,得,27,(3),求h,由温度分布式(9-20)，代入换热微分方程，得,28,平均换热系数,29,强调:,以上结果条件是 Pr 1 及,T,T,f,，则边界层中流体温度沿着y方向（远离壁面方向）上流体温度,Tf,单调递减。,（2）,a.壁面处，流体流速为零。,b.在边界层外，由于无温度差，流速度也为零。所以 y 方向有 v,x,的极大值。,41,（3）在流动方向上，流速v,x,不断增加（这与强制流动相反），存在层流向紊流的转度，边界层厚度增加，对流换热因素降低，h 值减小。紊流区，h 值稳定。,42,9.6.1 垂直平板层流自然对流换热精确解 p212,A.基本方程：(连续性方程动量平衡热量平衡),B.边界条件：壁面温度恒定,边界层外,43,C.Ostrach（奥斯特拉茨）解：,44,平均换热系数,45,D.一般情况下，自然对流换热准数方程,例：垂直平板（圆柱）,其它，见P.214，表9-2,46,处理问题步骤,：（设给出流体温度 T,f,和壁温T,s,，长度L）,算出定性温度,Tm,(,T,f,T,s,)/2,由,T,m,查到,(,算出,),流体物性参数,a,，,，,(Pr,/,a,，,气体,1/T,m,),3.,求,Gr,4.,由,Gr,Pr,的值以及流动条件，查得准数方程或简化公式。,5.,求得,h,及其它,(Q,q),。,47,
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