第十五章 对流换热原理

第十五章对流换热原理运动着的流体与固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。因此,影响对流换热的因素远比导热要多。•第一节对流换热系数•第二节对流换热过程的数学描述•第四节对流换热过程的实验求解第一节对流换热系数牛顿冷却公式：WttAQfwAQq2/mWttfw一、对流换热系数KmWtq2固体壁面温度ｔＷ与流体温度ｔｆ之间温差的绝对值；热流密度，约定恒取正值；对流换热系数,简称换热系数,单位为Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。二、局部换热系数和平均换热系数xxxtq换热壁面上x处的局部热流密度；x处的局部温差该处的局部对流换热系数1.局部换热系数2.平均换热系数tqtq三、对流换热微分方程0,yxxytqxyxfwxxttqx0,yxfwxyttt局部换热系数在整个换热面上的积分平均值为该换热面的平均换热系数。四、影响换热系数的因素1.流体流动的动力因素强迫对流自然对流无流体微团的横向脉动，法线方向为导热流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。2.流体流动的状态层流紊流过渡状态外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，流速是决定因素。有流体微团的横向脉动3.流体的热物性导热系数、比热容c、动力粘度、密度4.换热壁面的热状态（壁温的大小）有相变无相变壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象对流换热系数比有相变时小得多5.换热壁面的几何因素换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引起换热系数的变化。五、确定对流换热系数的方法数学分析法、实验法和类比法1.数学分析法质量守恒、能量守恒和动量守恒描述一般的对流换热现象，利用某一特定现象的单值条件，建立一个对流换热的物理模型，进行数学分析，求得换热系数。现象所服从的基本规律某一具体的换热现象数学分析对流换热现象=对流换热微分方程组+单值条件边界层方法的分析解离散化方法的数值解求近似解2.实验法经验法半经验法利用实验测得的数据，计算出换热系数值，再利用在该实验范围内获得的一系列值，整理成经验公式。根据换热现象的物理模型，用相似理论找到判别一组相似的对流换热现象所具有的充要条件，应用大量实验数据整理出适用于某一实验范围内的准则方程。现象所服从的基本规律某一具体的换热现象相似理论对流换热现象=对流换热微分方程组+单值条件准则方程3.类比法将对流换热过程中的热量传递和动量传递相类比，用数学关系式将两个传递现象联系起来，由流体流动的阻力规律来求解对流换热规律。理论分析或实验测试热量传递和动量传递的类比规律基本规律和基本假设对流换热现象=流体流动的阻力规律对流换热规律第二节对流换热过程的数学描述1）基于质量守恒定律的连续性微分方程0ywxwyx2）基于动量定律的动量微分方程xpx12222ywxwxxxwxwxywwxyypy12222ywxwyyxwxwyywwyy以常物性、不可压缩流体的二维稳定流动为例的对流换热微分方程组：3）基于能量守恒定律的能量微分方程})(2xwywyxpcxw(xt)ytwy2222ytxt[2{2)(xwx])(2ywy0,yxxfwxyttt4）换热微分方程对流换热过程的单值性条件：•几何条件：换热物体的形状和尺寸；•物性条件：流体的种类以及热物性参数；•边界条件：流体边界面上的速度和温度；•时间条件：初始时刻的速度和温度等；只适用于非稳态过程；第四节对流换热过程的实验求解当流速很小、Re数较低时，其准则方程GrfNuPr,Re,若只是受迫对流换热，则上式化简为PrRe,fNu若只是自然对流换热，则化简为Pr,GrfNu常用相似准则名称符号定义意义努塞尔数Nu壁面上流体的无量纲温度梯度雷诺数Re惯性力与粘性力之比普朗特数Pr动量扩散率与热量扩散率之比格拉晓夫数Gr浮升力与粘性力之比lvwlav23vtgl相似理论指导实验：1.物理量的测量：流体温度、壁温及相关物性参数。2.计算换热系数及有关准则数。3.把实验结果整理成准则函数的形式。nffwffGrcNu)Pr()PrPr(25.0)Prlg(lg])PrPr(lg[25.0ffwffGrncNunxcylg