传热学 对流部分.ppt

传热学–对流换热部分
第五章对流换热分析
本章内容要求
重点内容: 
①对流换热及其影响因素;
②牛顿冷却公式;
③用分析方法求解对流换热问题的实质,边界层概念及其应用;
④相似原理。
掌握内容:对流换热及其影响因素和用分析方法求解对流换热问题的实质
讲述基本的内容:对流换热概述;对流换热的数学描写;对流换热的边界层微分方程组;边界层积分方程组的求解及比拟理论;相似理论基础。
对流换热 Convection Heat Transfer
第五章对流换热分析
在绪论中介绍了对流换热计算方法(应用牛顿冷却公式) ,公式在形式上是很简单的,其中关键问题就是如何确定表面传热系数h的大小,有4种基本方法:分析法、类比法、数值法和实验法,重点学****分析法和实验法的基本内容,关于类比法和数值法(已发展为一门独立的课程《传热的数值计算》)不要求。
分析法是根据对流换热过程的物理模型和边界层理论,建立过程的数学描述(微分方程组和积分方程组)进行求解,得到流体温度场,利用界面上傅里叶定律
上式也称为换热微分方程式。
5-1 对流换热概述
对流换热指流体流经固体时流体与固体表面之间的热传递现象。
第五章对流换热分析
对流换热过程:对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程,是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。右图为一个简单的对流
换热过程,表示流体以来流速
度u和来流温度t流过一个温度
为tw的固体壁面,并选取流体
沿壁面流动的方向为x坐标、垂直壁面方向为y坐标。
直接接触是对流和导热与辐射换热的区别。对流换热与热对流不同,它既有热对流,也有导热,不是基本传热方式。生活中对流换热实例有暖气管道、电子器件冷却、电风扇等。
对流换热的特点
导热与热对流同时存在的复杂热传递过程;
第五章对流换热分析
必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动,也必须有温差;
由于流体的粘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边界层。
表面传热系数(对流换热系数):当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。
单位:W/()
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题。
对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面: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。后面将详细学****这些影响因素的影响机理(机制)。
第五章对流换热分析
对流换热的分类
流动起因。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)和强制对流(由外力如泵、风机或水压头作用所产生的流动),且h强制>h自然;
流动状态。层流(整个流场呈一簇互相平行的流线Laminar flow)和湍流(流体质点做复杂无规则的运动Turbulent flow,紊流);同时有h紊流>h层流;
流体有无相变。单相换热Single phase heat transfer和相变换热Phase change heat transfer(凝结Condensation 、沸腾Boiling 、升华、凝固、融化等), h相变>h单相;
换热表面的几何因素
内部流动对流换热(管内或槽内)和外部流动对流换热(外掠平板、
第五章对流换热分析
圆管、管束)。
流体的热物理性质
热导率λ[W/]、密度ρ[kg/m3]、比热容c[J/]、动力粘度η[]、运动粘度ν=η/ρ[m2/s]和体胀系[1/K]。
λ↑→h↑,流体内部和流体与壁面间的导热热阻小;
ρ、c↑→ h↑,单位体积流体能携带更多的能量;
η↑→ h↓,有碍流体流动,不利于热对流;
α↑→自然对流换热增强。
综上所述,表面传热系数是众多因素的函数
h=f(v,tw,tf, λ,cp, ρ, η, α,l,……)
对流换热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动时,由于粘性的作用,流体的流速在靠
第五章对流换热分析
近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低;在贴壁处被滞止,处于无滑移状态,即y=0, u=0。
在这极薄的贴壁流
体层中,热量只能
以导热方式传递。
根据傅里叶定律
其中λ为流体的热
导率,(∂t/∂y)w,x为在坐标(x,0)处的温度梯度。
牛顿冷却公式
hx表示壁面x处局部表面换热系数[W/()]。
第五章对流换热分析
由傅里叶定律与牛顿冷却公式得对流换热过程微分方程式
hx取决于流体热导系数、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热物性、流动状况(层流或紊流)、流速的大小及其分布、表面粗糙度等温度场取决于流场。研究对流换热的目的之一就