西安交大高等传热学热对流第一章

高等传热学AdvancedHeatTransfer对流研究重要性：学习特点：回顾流体力学与传热学的发展，特别领会关键时候处理问题的方法与思路。由复杂到简单，再修正简单以适用复杂Chap.1Mathematicformulation分析解高等传热学AdvancedHeatTransfer§1-1Introduction1.定义对流：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。高等传热学AdvancedHeatTransfer对流传热：流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。特点：仅能发生在流体中；宏观位移；伴随导热；对流传热机理与紧靠壁面的一层薄膜导热相关高等传热学AdvancedHeatTransfer二、影响对流传热的因素1.流动起因(Thecauseofmotion)ForcedconvectionMixedconvectionNaturalconvectionnnnmixedforcednaturalNuNuNun=3-4.流动方向相同，+；流动方向相反，-2Gr0.110Re自然对流强制对流高等传热学AdvancedHeatTransfer2.流体流动状态(Theflowregimes)LaminarflowTurbulentflow流体力学实验：一滴红墨水滴到流体中udRe1883年，Reynolds高等传热学AdvancedHeatTransferReynoldsTubeExperiment(1883)高等传热学AdvancedHeatTransfer高等传热学AdvancedHeatTransfer3.传热表面几何因素(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）4.传热过程有无相变(phasechange)Boiling,Condensation高等传热学AdvancedHeatTransfer5.流体的物性(Thethermophysicalproperties),,,,pcr前4类影响因素构成将对流传热进行分类的基架流体的物性通过一个特殊的无量纲数来专门予以反映(,,,,,,,,)wfphfuttcl高等传热学AdvancedHeatTransfer三、对流传热的分类(classification)高等传热学AdvancedHeatTransfer四、对流传热基本计算式yt∞u∞twqwx由傅里叶定律,wywxtqy牛顿冷却公式,cwxqhtt,,xwxywxthtty＝－cwqq2.t∞：内部流动，取管道截面平均流体温度,tb1.t∞：外部流动，取远离壁面的流体温度,t∞cAmcudAuAccpAbpActudAtcudA高等传热学AdvancedHeatTransfer3.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.上式h为局部表面传热系数，而求整个表面的表面传热系数应把牛顿冷却公式用于整个表面得出思考：是对qx沿传热表面做积分平均，还是直接对hx做积分平均？什么时候可以直接对hx做积分平均？高等传热学AdvancedHeatTransfer,,,,,mwmfmxwxfxAAywxthAtthttdAdAy1mxAhhAA＝d对流传热中常见两类边界条件：UniformwalltemperatureUniformheatflux高等传热学AdvancedHeatTransfer,,wxywxtqy表面传热系数h流体温度场求hx的关键：特别是壁面附近的温度分布,,,txyz流场温度场EnergyEq.EnergyconservationlawContinuityEq.MomentumEq.MomentumconservationlawMassconservationlaw温度场受到流场的影响数学上解方程高等传热学AdvancedHeatTransfer五、研究对流传热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。高等传热学AdvancedHeatTransfer六、相似原理及量纲分析实验研究仍然是解决复杂对流传热问题的主要方法,相似原理则是指导实验研究的理论。相似原理可以回答如下问题：如何安排实验？并应该测量哪些量？实验后如何整理实验数据？获得的结果可以推广应用的条件是什么？(,,,,,)phfucl高等传热学AdvancedHeatTransfer常见相似准则数的物理意义Nu—流体在壁面处法向无量纲过余温度梯度。hlNu1.努塞尔数2.雷诺数ulReRe—流体惯性力与粘性力的相对大小。Pr—流体动量扩散能力与热量扩散能力相对大小。aPr3.普朗特数Gr—流体浮升力与粘性力的相对大小。4.格拉晓夫数23tLgGr0//wwfyttttyl高等传热学AdvancedHeatTransfer相似准则数间的关系描述现象的微分方程组的解，原则上可以用相似特征数之间的函数关系表示。对于无相变强制对流传热：)(Re,PrfNu自然对流传热：),r(uPrGfN混合对流传热：),r,(uPrGRefN按上述关联式整理实验数据，就能得到反映现象变化规律的实用关联式,从而解决了实验中实验数据如何整理的问题。高等传热学AdvancedHeatTransfer相似原理全面回答了实验研究中会遇到的三个问题：②实验结果应整理成特征数间的关联式③实验结果可以推广应用到与实验相似的情况①实验时，应当以相似特征数作为安排实验的依据并测量各特征数中包含的物理量高等传热学AdvancedHeatTransfer1.管内湍流传热实验关联式(D-B)0.80.023RePrnfffNu0.4,n加热流体0.3,n冷却流体七、内部流动强制对流传热实验关联式2.管内层流强制对流传热(Sieder-Tate)130.14RePr1.86ffffwNuld高等传热学AdvancedHeatTransfer八、外部流动强制对流传热实验关联式1.外掠等温平板(laminarflow,Re5×105)3/12/1PrRe332.0xxNu1/21/30.664RePrmlNu2.外掠单管(flowacrosssinglecylinder)3.外掠管束(flowacrosstubebanks)高等传热学AdvancedHeatTransfer九、自然对流传热实验关联式1.大空间自然对流传热实验关联式2.有限空间自然对流传热实验关联式PrnnNuCGrCRaTw1Tw2Hq高等传热学AdvancedHeatTransfer十、综合表达式0.80.023RePrnffflrtNuCCC0.80.80.40.40.60.20.4,,,,,,pnhfucd①ρ，0.8次幂，影响最大，其次为λ②u,0.8次幂：1m/s→1.5m/s，h↑40%③d↓，h↑高等传热学AdvancedHeatTransfer100MW氢气冷却发电机组300MW氢气－水冷却发电机组发电机组冷却技术的发展看冷却介质的影响最大发电量100MW500MW600MW1000MW冷却介质空冷氢冷水－氢冷水冷高等传热学AdvancedHeatTransfer介质空气氢气水密度导热系数动力粘度比热容1.090.0769880.02390.1670.552x10-60.96x10-656.6x10-61005143044174大型火电空冷机组(直接冷却或间接冷却)200MW，300MW，600MW富煤缺水地区：空冷相对于湿冷，可节约3/4耗水量大型机组空冷技术（缺水地区）。国务院2006年2月9日发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）：16个重大专项之一：大型先进压水堆及高温气冷堆核电站高等传热学AdvancedHeatTransfer§1-2Governingequations2.方法：控制容积分析法一、ContinuityEq.1.依据定律：质量守恒定律单位时间流进控制容积的质量-单位时间流出控制容积的质量+内部质量源和汇的净和=控制容积内部质量随时间的变化率高等传热学AdvancedHeatTransfer3.推导x方向进入：udydzx+dx方向出去：uudxdydzx净流入：udxdydzx三个方向总净：uvwdxdydzxyz质量随时间变化率：dxdydzxyz高等传热学AdvancedHeatTransfer假设质量源汇为零0uvwxyz0divu0u0jjux0uvwuvwxyzxyz高等传热学AdvancedHeatTransfer0DDu0DdivDu4.特例steady0uincompressible0u5.其他坐标系高等传热学AdvancedHeatTransfer二、MomentumEq.1.依据定律：动量守恒定律（矢量）单位时间流进控制容积i方向动量-单位时间流出控制容积i方向动量+作用于控制容积内流体i方向力的总和③=流体在i方向动量随时间的变化率②①高等传热学AdvancedHeatTransfer2.推导x方向：2uudydzudydzx+dx方向出去：22uudxdydzx左右界面净流入动量：2udxdydzxx方向左右，前后，上下界面净流入：uuvuwudxdydzxyz单位时间流入左侧动量：①:高等传热学AdvancedHeatTransferx方向动量随时间变化率：②－①：作用力有两种：体积力（重力，离心力，电磁力等）表面力（静压力，粘性应力等）udxdydzuuuuDuuvwdxdydzdxdydzxyzD设单位体积力分量为Fx设表面应力τ分解成三个分量设静压力p垂直于作用面pτxyτxxτxz②－①：高等传热学AdvancedHeatTransferxFdxdydzyxxxzxxpFdxdydzxxyz③:xxxxxxyxyxyxzxzxzxppdydzpdxdydzxdxdzdydxdzydxdydzdxdyz高等传热学AdvancedHeatTransferyxxxzxxDupFDxxyzForNewtonianfluid（应力与应变之间存在简单的线性关系，p157（1－14））13xDupuuuFDxxxyyzzuvwxxyz13jiiiijjijuDuupFDxxxxx