西安交通大学传热学课件5

1/73传热学HeatTransfer对流传热ConvectiveHeatTransfer2/73传热学HeatTransfer主要内容对流传热的理论基础对流传热实验关联式影响因素及分类数学描写相似原理实验关联式边界层无量纲准则数3/73传热学HeatTransfer第五章对流传热的理论基础4/73传热学HeatTransfer主要教学内容─定义、影响因素、分类、研究方法─数学描写─边界层及其数学描写─外掠等温平板对流传热分析解─比拟理论5/73传热学HeatTransfer§5-1对流传热概述一、回顾1.热对流（thermalconvection）流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。TwqwwfTT6/73传热学HeatTransfer3.基本计算式—(Newton’sLawofCooling)2()WmwfwfqΦAhtttt2()WmfwfwqΦAhtttt2.对流传热（convectiveheattransfer）流体流过与其温度不同的固体壁面时发生的热量传递过程。7/73传热学HeatTransfer4.表面传热系数h流动方式：强制自然对流介质：水空气相变：有相变无相变水蒸气凝结有机蒸汽凝结convectiveheattransfercoefficient——当流体与壁面温度相差1度时、每单位接触面积上、单位时间内所传递的热量，是表征对流传热过程强弱的物理量(())whΦATT8/73传热学HeatTransfer5.对流传热的特点(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)前提条件：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，紧贴壁面处会形成速度梯度和温度梯度很大的边界层qTw9/73传热学HeatTransfer二、影响对流传热的因素1.流动起因（Thecauseofmotion）①强制对流Forcedconvection由外部动力源驱动流体流动10/73传热学HeatTransfer②自然对流Naturalconvection由于温差的存在，使得流体内部产生密度差；在体积力（重力）场的作用下产生浮升力，从而驱动流体流动。11/73传热学HeatTransfer③混合对流Mixedconvection外部动力源和浮升力共同驱动流体流动。12/73传热学HeatTransfer2.流体流动状态（Theflowregimes）层流（Laminarflow）湍流（Turbulentflow）udRe13/73传热学HeatTransfer粘性流体的流动存在着两种不同的流型，即层流和湍流。雷诺实验：1883年由英国物理学家Reynolds实验总结发现。14/73传热学HeatTransfer3.换热表面几何因素（Thegeometricfactors）形状（shape）相对位置（relativeposition）表面粗糙情况（surfaceroughness）尺度（scale）内流（internalflow）外流（externalflow）15/73传热学HeatTransfer4.换热过程有无相变（phasechange）Boiling,condensation16/73传热学HeatTransfer5.流体的热物性（thermophysicalproperties）在电影泰坦尼克号中Jack冻死了，但Rose没有，为什么？17/73传热学HeatTransfer导热系数流体的密度pc比定压热容动力粘度r汽化（凝结）潜热表面张力g18/73传热学HeatTransfer三、对流传热的分类(classification)19/73传热学HeatTransfer四、研究方法1.获得h的方法分析解法实验法比拟法数值解法采用数学分析求解的方法，有指导意义通过大量实验获得表面传热系数的计算式，是目前的主要途径。通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多、范围很小。与导热问题数值思想类似，发展迅速，应用越来越多。20/73传热学HeatTransfer2）求解思路简化假定控制方程初始条件定解条件边界条件物理问题数学描写求解结果温度分布换热量1）目标温度分布换热量（表面传热系数h）2.对流传热问题数值解及分析解的求解思路21/73传热学HeatTransferyt∞u∞twqwx由傅里叶定律0ywytq牛顿冷却公式cwqhtt0wythtty＝－cwqq五、如何从获得的温度场来计算h无论是分析解法还是数值法首先获得的都是温度场t，如何由t→h？22/73传热学HeatTransfer注意上式与导热问题IIIBC的差别①导热问题中，h已知，此处h为未知值②导热问题中，λ为固体导热系数，此处λ为流体导热系数③导热问题中，t为固体温度，此处t为流体温度④导热问题中，为固体侧的温度梯度，此处为流体侧的温度梯度0yyt0yytth23/73传热学HeatTransfer§5-2对流传热问题的数学描写(mathematicalformulation)0yytthtimespaceft,特别是壁面附近的温度分布温度场流场24/73传热学HeatTransfer对流传热微分方程组EnergyEq.EnergyconservationlawContinuityEq.MomentumEq.MomentumconservationlawMassconservationlaw温度场流场25/73传热学HeatTransfer1.简化假设一、能量微分方程导出2.依据•Fourier导热定律•能量守恒定律，用于开口系统2D、不可压缩的牛顿流体、常物性、无内热源、忽略粘性耗散26/73传热学HeatTransfer3.推导建立坐标系（直角），取分析对象（微元体）27/73传热学HeatTransfer①导入微元体的净热流量⑤微元流体热力学能增量②流入微元体的热流量③流出微元体的热流量④微元流体做的净功＝＋＋＋28/73传热学HeatTransfer①导入微元体的净热流量②流入微元体的热流量2222()ttΦdxdyxy212mininqhvgz29/73传热学HeatTransfer③流出微元体的热流量212moutoutqhvgz⑤微元流体热力学内能增量U④微元流体做的净功netW30/73传热学HeatTransfermoutminoutinUΦqhqh,xminxppinHqhudyctcutdy31/73传热学HeatTransferxdxxptuHHcutdxdyxxydyyptvHHcvtdxdyyypUctdxdy扩散项（导热项）对流项非稳态项)()(2222ytxtytvxtuctcppIncompressiblefluid32/73传热学HeatTransfer4.讨论•对流传热过程中，热量传递除了依靠流体宏观流动所产生的对流项外，还有微观导热产生的扩散项•若流体静止，则出现什么情况？扩散项（导热项）对流项非稳态项)()(2222ytxtytvxtuctcpp33/73传热学HeatTransfer二、二维、不可压、常物性、无内热源、牛顿流体对流传热问题的数学描写2222ytxtytvxtutcp)())()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（（0yvxu1.控制方程（governingequations）34/73传热学HeatTransfer2.定解条件①初始条件②边界条件给出=0时刻速度、压力、温度的分布速度无滑移、温度一二类35/73传热学HeatTransfer1.问题的非线性2.动量及能量方程耦合三、求解的困难2222ytxtytvxtutcp)())()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（（xu0yv0yvxu36/73传热学HeatTransfer§5-3边界层型对流传热的数学描写•N-S方程（Navier，1823；Stokes，1845）；•1883，Reynolds；•1904，Prandtl—“BoundaryLayer”；•1908，Blasius—Ph.D.Dissertation；•1921，Polhausen—“ThermalBoundaryLayer”37/73传热学HeatTransfer一．流动边界层1.定义：当流体流过固体壁面时,由于流体粘性的作用,使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层或速度边界层。2.速度边界层厚度：速度等于99％主流速度。yu38/73传热学HeatTransfer20℃空气在平板上以16m/s的速度流动，在1m处边界层的厚度约为5mm。3.特点：边界层厚度是流过的距离x小一个数量级以上的小量。/xl01234501020304050607080901001100.52816速度边界层厚度39/73传热学HeatTransfer4.边界层内的流动状态：也有层流和湍流之分。层流底层湍流核心565Re210~310510ccux40/73传热学HeatTransfer外掠平板边界层41/73传热学HeatTransfer5.引入速度边界层的意义：流动区域可分为主流区和边界层区，主流区可看作理想流体的流动，只在边界层区才需要考虑流体的粘性作用。xy0lxu∞主流区边界层区42/73传热学HeatTransfer二．温度边界层（热边界层）1.定义：在对流传热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的薄层称为温度边界层或热边界层。2.温度边界层厚度t的规定：过余温度等于99%的主流区流体的过余温度。wwttttt%9943/73传热学HeatTransferwtt思考：热边界层厚度可否定义成tδ＝99％t∞？44/73传热学HeatTransfer3.特点：温度边界层厚度t也是比壁面尺度l小一个数量级以上的小量。tl4.引入温度边界层的意义：温度场也可分为主流区和边界层区，主流区流体中的垂直于壁面方向温度变化可看作零，因此，只需要确定边界层区内的流体温度分布。45/73传热学HeatTransfer(a)LowerReynoldsnumber(ReH=2500)(b)HigherReynoldsnumber(ReH=10000)ImagesfromDr.T.Kim46/73传热学HeatTransfer流体的运动粘度反映了流体中由于分子运动而扩散动量的能力，这一能力越大，粘性的影响传递越远，因而流动边界层越厚。相类似，热扩散率越大则温度边界层越厚。Pr/aPr数反映了流动与温度边界层厚度的相对大小。δδtPr1δtδPr15.比较δ与δt的相对大小47/73传热学HeatTransfer根据普朗特数的大小，流体一般可分为三类：（1）高普朗特数流体，如一些油类的流体，在102~103的量级；（2）中等普朗特数流体，0.7~10之间，如气体为0.7~1.0,水为0.9~10；（3）低普朗