对流换热PPT

第五章对流换热Convectiveheattransfer§5.1对流换热概述§5.2边界层分析§5.3边界层对流换热微分方程组§5.4相似原理在对流换热中的应用§5.5管槽内强迫对流换热§5.6外掠圆管强迫对流换热§5.7自然对流换热难点：对相似原理和相似准则数的理解§5.1对流换热概述一、对流换热1、概念：流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。qwtftuxyu2、机理：包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程3、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）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动；也必须有温差（3）由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的流动边界层（4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层4、牛顿冷却公式对流换热量的基本计算公式QFtwqtW/m2热流量Q和热流密度q总取正值，因此对流换热温差总取正值。1tQF对流换热的热阻为，单位为K/W。单位面积对流换热热阻为，单位为(m2·K/W)。1/F1w=tftt对流换热系数/()QFt2/Wmk—当流体与壁面温度相差1℃时，每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。如何确定对流换热系数及研究增强换热的措施是对流换热的核心问题对流换热的研究方法：•解析法•实验法•比拟法•数值法1.流动起因：自然对流：流体内部各部分因温度不同而导致密度差异，在由此而产生的浮升力作用下发生的流动。强制对流：流体在泵、风机或其它压差作用下发生的流动。影响因素：流动起因、流动状态、流体有无相变、换热表面的几何因素、流体的热物理性质等。二、对流换热的影响因素和对流换热的分类2.流动状态：层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。紊流：流体质点做复杂无规则的运动。紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。紊流层流3.流体有无相变：单相换热：（singlephaseheattransfer）相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等(Phasechange)(condensation)(boiling)4.换热表面的几何因素：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。相变单相5.流体的热物理性质：定压比热，密度，导热系数，粘度（或运动粘度，，容积膨胀系数pc/11ppVVTTc、（流体内部和流体与壁面间导热热阻小）（单位体积流体能携带更多热量）（有碍流体运动，不利于热对流）（自然对流换热增强）fw(,,,,,,,,)pfuttcL,Φ或对流换热分类：对流换热无相变有相变凝结换热大空间沸腾管内沸腾沸腾换热管内凝结管外凝结强制对流自然对流混合对流内部流动外部流动圆管内强制对流换热其他形状管道对流换热外掠平板的对流换热外掠单根圆管的对流换热外掠圆管管束的对流换热外掠其他截面柱体的换热射流冲击换热大空间有限空间§5.2边界层分析边界层：流动边界层，热边界层。当粘性流体流过壁面时，由于摩擦力的作用，使靠近壁面的流体的流速降低，在垂直于平板的很小的距离内，流体的速度从来流速度降到贴壁处的零值。规定达到主流速度的0.99倍处和壁面间的薄层称为流动边界层。一、流动边界层边界层内速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大。,u0.99uy,x空气速度10/:ums1002001.8;2.5xmmxmmmmmm流动边界层的厚度与流速、流体的运动粘度和离平板前缘的距离x的关系平板长度l(cm)空气沿平板流动时边界层增厚的情况δcm由牛顿粘性定律：速度梯度越大，粘滞应力越大。边界层外：在y方向无变化，粘滞应力为0—主流区uyu0uy流场可以划分为两个区：边界层区和主流区。边界层区：流体的粘性起主导作用，流体的运动用粘性流体运动微分方程组描述。（N-S方程）主流区：速度梯度为0，可视为无粘性理想流体；流体的运动用欧拉方程。—边界层概念的基本思想0流体外掠平板时的层流边界层与紊流边界层临界距离：由层流边界层开始向紊流边界层过度的距离：临界雷诺数：cxRecRecccuxuxv惯性力粘性力565Re210~310;510cc平板：取Re紊流边界层：为何是一个范围？层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一层薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度。流动边界层的几个重要特征：1.边界层厚度与壁的定型尺寸L相比极小2.边界层内存在较大的速度梯度。3.边界层流态分层流和紊流，紊流边界层紧靠壁面处仍有层流特征，层流底层。4.流场可以分为边界层区和主流区。边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述。主流区：由理想流体运动微分方程—欧拉方程描述。L边界层理论的基本论点：边界层概念也可以用来分析其他情况下的流动和换热。如流体在管内的受迫流动，流体外掠圆管流动，流体在竖直壁面上的自然对流等。边界层的厚度：卡门近似积分法112214551155570,04.64Re;~0,0Re;~(Re10256Re);(Re510;510Re10)xxxxcxxxxxxxxx层流边界层:紊流边界层:=0.381先为层流后为紊流：0.381二、热边界层当温度均匀的流体流过壁面温度与其不同的平板时，流体与壁面之间发生热量交换，在紧贴壁面位置存在着一流体薄层。在其中，流体的温度由壁面温度变化到主流温度，这一流体薄层称为热边界层。厚度—热边界层厚度，不一定相等。流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布。,0.99()twwyTTTTtt与层流：温度呈抛物线分布紊流：温度呈幂函数分布紊流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流故：紊流换热比层流换热强。的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量和热扩散的深度,,wtwLTTyyt与13Pr0.6Pr50t层流：层流靠流体导热换热，紊流依靠流体微团脉动对流换热壁面加热流体时热边界层的形成和发展rtrPaP—普朗特数，反映了流动边界层与热边界层厚度的相对大小。液态金属的流动边界层远小于热边界层的厚度；对于空气两者大致相等；对于高粘度的油类，则速度边界层远大于热边界层。§5.3边界层对流换热微分方程组在这极薄的贴壁层流中，热量只能以导热方式传递。根据傅里叶定律：2,,,//,0wxwxwxtqWmyWmtxy—流体的导热系数℃—在坐标为的贴壁处流体的温度梯度1、对流换热过程微分方程式：根据牛顿冷却公式：2,/wxxwqttWm,wxxqxK2—局部热流密度—壁面处局部对流换热系数W/m,xwwxttty对流换热微分方程式：,,wxwxtqy傅里叶定律：取决于流体导热系数、温度差和贴壁流体的温度梯度。温度梯度或温度场取决于流体的热物性、流动状况、流速的大小及分布、表面粗糙度等。温度场取决于流场。速度场和温度场由对流换热微分方程组确定。连续性方程、动量方程、能量方程x,xwwxttty2、常物性不可压缩流体的二维稳态流动边界层对流换热微分方程组流体纵掠平板壁面：1/21/30.332()()xuxxa0()xxyxtty22ptttuvxycy22()xuudpuuvFxydxy0uvxy对流换热微分方程：能量微分方程：动量微分方程：连续性微分方程：xtuv44p未知量：、、、个，方程个，方程是封闭的。（由主流区伯努利方程求得）§5.4相似原理在对流换热中的应用实验是研究对流换热的主要和可靠手段；是检验解析解、数值解的唯一方法。问题：如何进行实验研究？影响因素众多，实验工作量庞大、存在盲目性。),,,,,,,,(wfL,Φcttufp或在实物或模型上进行对流换热实验研究时，变量太多。三个问题：I.如何设计实验、实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）；II.实验数据如何整理（整理成什么样的函数关系）；III.实验结果如何推广运用于实际现象。相似原理将回答上述三个问题相似原理：相似的性质、相似准则间的关系、判别相似的条件利用与原型相似的模型来研究一、物理现象相似的概念：如果两个同类的物理现象，在对应的时空点，各标量物理量的大小成比例，各向量物理量除大小成比例外，且方向相同，则称两个现象相似。同类物理现象：用相同形式和内容的微分方程式（控制方程+单值性条件方程）所描述的现象。电场与温度场：微分方程相同，内容不同。强制对流换热与自然对流换热：微分方程的形式和内容都有差异。外掠平板和外掠圆管：控制方程相同，单值性条件不同。时空点对应：几何相似、时间相似是必要条件。物理现象相似：在空间、时间相似的基础上，影响物理现象的所有物理量分别相似的总和，包括几何、时间、运动、动力等等。1）几何相似彼此几何相似的三角形，对应边成比例若（1）（2）相似若（1）（3）相似'''''''''''''''''''''''''''''''llabchCabchabchCabch几何相似倍数'''''''''''''''''''''''''''''''llabchabchCCabchabch整理得：即：两三角形相似时，不仅各对应边成比例，而且他们的数值必定相等。'''''''''''';''''''''''''ABbbbcccLLaaaaaa,ABLL可以证明：如果两个三角形具备相同的那么它们必定相似。''''''''''''ABbbLaaccLaa分别相等表达了三角形相似的充分和必要条件有判断两三角形是否相似的作用是无量纲的—几何相似特征数—几何相似准则,ABLL,ABLL,ABLL,ABLL2）物理现象相似例1：流体在圆管内稳态流动时速度场相似问题。圆管半径分别为R’,R’’,温度沿x，r方向变化，如果在空间对应点上：312123312123'''''''''''''''''''''''llxxxlCxxxlrrrCrrrR……R'……=速度成比例：称这两圆管内速度相似312123''''''''''''''''''maxmumaxmuuuuuuCuuuuuu……例2：物体外掠平板对流换热边界层温度场相似问题温度沿x，y方向变化，如果在空间对应点上：331212123123'''''''';''''''''''''''''nnllnnxxyyxxyyCCxxxxyyyy…………温度成比例：称这两个温度场相似312123''''''''''''nnC……温度场相似倍数几何相似倍数两个对流换热现象相似：它们的温度场、速度场、粘度场、热导率场、壁面几何因素都应分别相似。即：在对应瞬间、对应点上各物理量分别成比例各影响因素不是彼此孤立的，它们之间存在着由对流方程组所规定的关系。故：各相似倍数之间也必定有特定的制约关系，它们的值不是随意的。''''';;;'''''''''''''';;;''''''''luvxyzCCCxyzuvvCCCuvv……（a）（b）（c）1）相似物理现象的性质—相似定理1【物理现象相似的必要条件】证明：设a、b两个对流换热现象相似，则根据换热微分方程式现象a：现象b：''''''0|ytty0|ytty因为a、b两现象相似，所以与现象有关的物理量应分别相似，即'''',,,atltyCCCCty二、相似原理及其