传热学v4-第五章-对流传热的理论基础

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1、第五章　对流传热的理论基础传热学HeatTransfer对流换热：流体流过固体壁面时由于流体、固体表面温差所引发的热量交换。5-1对流传热概述特点：流体与固体表面直接接触；存在温差；同时存在导热和对流；近壁面存在速度梯度较大的边界层。牛顿冷却公式研究目的：揭示h的影响因素；定量计算表面换热系数h；研究强化对流换热的措施。传热学HeatTransfer5-1对流传热概述对流换热的主要影响因素：流动的起因；流体有无相变；流动的形态；换热表面的几何因素；流体的物理性质。表面换热系数h取决于多种因素，是一个复杂的函数：自然对流强

2、迫对流传热学HeatTransfer5-1对流传热概述对流换热的分类传热学HeatTransfer5-1对流传热概述对流换热的研究方法：分析法；比拟法；基于相似理论的实验方法（第六、七章）；数值计算方法（略）。分析法求解对流换热问题的实质：如何从解得的温度场计算表面传热系数？根据对流换热量＝贴壁流体层的导热量，建立h与流体温度场的关联。λ：流体导热系数∂t/∂y：贴壁流体层的温度梯度注意与导热问题第三类边界条件的区别传热学HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述假设：流体为连续介质，流动为二维；流体为不可压缩

3、牛顿流体；常物性、无内热源；忽略粘性耗散热；忽略辐射换热。四个未知量：u,v,p,t。需要四个方程：基于质量守恒的连续方程基于动量守恒的动量方程（x,y方向）基于能量守恒的能量方程传热学HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述基于质量守恒的连续方程：单位时间流入流出微元体的净质量=微元体内流体质量的变化二维、不可压缩、稳态（定常）流动：传热学HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述基于动量守恒的动量方程（纳维-斯托克斯方程）：作用在微元体上外力的总和＝微元体中流体动量的变化率牛顿第二运动定律F=a

4、m惯性力体积力压力梯度粘性力传热学HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述能量守恒方程：热力学第一定律Q＝∆E+W[导入与导出的净热量]+[热对流传递的净热量]+[内热源发热量]=[总能量的增量]+[对外膨胀功]假设：无内热源，低速流动，流体不对外作功Q导热+Q对流=U热力学能传热学HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述Q导热+Q对流=U热力学能单位时间导入导出的净热量：单位时间热力学能的增量：单位时间沿x方向热对流传递到微元体的净热量：单位时间沿y方向热对流传递到微元体的净热量：12传热学

5、HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述Q导热+Q对流=U热力学能单位时间导入导出的净热量：单位时间热力学能的增量：单位时间热对流传递到微元体的净热量：12+二维、不可压缩、常物性、无内热源的能量方程对流项包含流速uv，所以对流换热问题中换热与流动密切相关。传热学HeatTransfer5-2对流传热问题的数学描述二维、稳态、常物性、无内热源、不计重力、不可压缩牛顿流体的对流换热完整微分方程组：注意：对流换热问题能量方程的边界条件只有第一类、第二类边界条件。传热学HeatTransfer5-3边界层型对流传

6、热问题的数学描述动量方程中的惯性力项和能量方程中的对流项均为非线性项，难以直接求解简化普朗特速度边界层波尔豪森热边界层流动对流换热类比传热学HeatTransfer普朗特速度边界层的概念：固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界层，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。实际流动≈边界层内粘性流动+主流区无粘性理想流动实验发现：流体近壁面流动时基于粘性力的速度梯度主要存在于近壁面的薄层，主流区速度梯度很小。LudwigPrandtl1875-19535-3边界层型对流传热问题的数学描述传热学HeatTransfer普

7、朗特速度边界层的概念：层流：流体分层流动，各层间无掺混。湍流：流体间相互掺混，无规则脉动。如何区分？流动形态与流速，距离和流体物性相关临界雷诺数RecOsborneReynolds1842-19125-3边界层型对流传热问题的数学描述传热学HeatTransfer普朗特速度边界层的概念：光滑平板：Rec＝5×105光滑圆管：Rec＝2100xxc,Re>Rec湍流层流底层（粘性底层）：紧靠壁面处，粘性力占主导地位，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征。层流底层内具有最大的速度梯度。5-3边界

8、层型对流传热问题的数学描述传热学HeatTransfer波尔豪森热边界层的概念：固壁表面附近流体温度剧烈变化的薄层称为热边界层t，热边界层外的主流区温度梯度视为零。实际对流换热≈热边界层内对流换热实验发现：流体对流换热时温度梯度主要存在于近壁面的薄层，主流区温度梯度几乎为零。热边界层厚度t的量级与速度边界层一致