第五章对流换热.ppt

第五章对流换热
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一、对流换热概述
对流换热
流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程
对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式
y
x
t∞层流体的对流换热量：
所以：
对流换热过程
微分方程式
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§5-2 对流换热的影响因素及对流换热的分类
对流换热的分类
流动起因、流动状态、流体有无相变、流体的热物理性质、换热表面的几何因素等
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（Free convection）
强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用
所产生的流动（Forced convection）

影响因素
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流体在圆管内作强迫对流时的换热
层流
湍流
x
x
△l
△l
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自然对流亦有层流和湍流之分。
层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。
旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。
竖壁附近自然对流换热
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层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminar flow）
湍流（紊流）：流体质点做复杂无规则的运动（Turbulent flow）
2. 流动状态
紊流流动极为普遍
麦浪滚滚，旗帜飘扬，都由空气紊流引起
香烟的烟在静止的空气中上升，可以看到从层流到紊流的转化。
没有紊流的世界是不可想象的
把酱油到进汤里，花半小时酱油才能和汤混合，用汤匙一搅，依靠紊流几秒钟它们就混合在一起了。
如果没有紊流的掺混，烟囱浓烟中的有害物质将长期积聚，危害人类环境。
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流体的流动是层流还是紊流，可用无因次的雷诺数的大小来判断
定义式：
式中：ρ－流体密度，v－流速，μ－流体的动力 粘度，ν－流体的运动粘度，L－流道截面的定型尺寸
流体在圆管内受迫流动时：
当Re＜2300：层流；Re＞104：旺盛紊流；
2300＜Re＜104：过渡区
Re＝2300称为管流临界雷诺数
Re v
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单相换热
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
3. 流体有无相变
4. 流体的热物理性质
热导率
密度
比热容
动力粘度
运动粘度
体胀系数
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能量
有碍流体流动，不利于热对流
自然对流换热增强
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5. 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
管内
管外
热面朝上
朝下
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横掠单管的换热
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综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
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对流换热分类
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§5-3 量纲分析在对流换热中的应用
实验研究是传热学研究中的主要和可靠手段；尤其是复杂的传热学问题
问题：如何进行实验研究？
尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值模拟和数学模型正确与否的唯一方法
— 量纲分析法指导下的实验研究
表面传热系数是众多因素的函数；有些影响因素相互制约和影响（如：温度与热物性）；如果采取逐个研究各变量的影响，实验工作量极为庞大、也极难进行
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一、基本概念
:用来度量被测物理量的度量标准。
:用来说明同一类物理量属性的名称。
:人们常用几个彼此独立的常用的物理量作为基本量，它们的量纲作为基本量纲。传热学中涉及到的主要是长度、质量、时间和温度等基本量纲，分别用代号L、M、τ和T表示。
:根据物理量间的特定关系由基本量纲导出的其它物理量的量纲。
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：在传热学中，各物理量的量纲均可用如下的量纲通式来概括：
（齐次性）原理：一个概念清楚，表达正确的方程式，等号两边同名量纲的指数一定相等。
：由几个不同物理量组合而成的无量纲量。
：包含未知量(或待定量)的准则。
：不包含未知量(或待定量)的准则。
:由准则数组成的方程。
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二