对流传热的理论基础

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1、第五章对流换热5-1对流换热概说5-2对流换热问题的数学描写5-3对流换热的边界层微分方程组5-4边界层积分方程组的求解及比拟理论主要内容：§5-1对流换热概述1对流换热的定义、性质和目的定义:对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式计算h对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。性质：目的：3(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差(3)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2对流换热的特点?3对流换热的基本计算式?牛顿冷却公式:

2、44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如何确定h及增强或抑制换热的措施是对流换热的核心问题研究对流换热的方法：(1)分析法:边界层微分方程、积分方程、比拟理论(2)实验法：相似原理和量纲分析；实验关联式(3)数值解法55对流换热的影响因素其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何条件;(5)流体的热物理性质以流体外掠平板为例：我们所要得到的是：（1）当地热流密度和总的换热量6（2）平均对流换热系数（3）对流换热过程的微分方程式若势流只沿单方

3、向进行，则可写为：72.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;3.速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。对流换热过程的微分方程式:1.hx取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度；说明：86对流换热的分类：(1)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在重力作用下所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动9(2)流动状态（流动型态，流型）层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动10(3)流体有无相

4、变单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束(4)换热表面的几何因素：11(5)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综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：12对流换热分类小结：13§5-2对流换热问题的数学描写b)流体为不可压缩的牛顿型流体为便于分析，只限于分析二维对流换热即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体c)所有物性参数（、cp、、）为常量a)流体为连续性介质假设：4个未知量:：速度u、v；温度t；压力p连续性方程(1)、动

5、量方程(2)、能量方程(1)需要4个方程:总结上面条件：二维、常物性、无内热源、不可压缩的牛顿型流体141质量守恒方程(连续性方程)二维、常物性、无内热源、不可压缩的牛顿型流体2动量守恒方程(1)—惯性项（ma）；(2)—体积力；(3)—压强梯度；(4)—粘滞力稳态：自然对流：强制对流时：由于质量守恒方程和动量守恒方程在流体力学中已经学习过，所以不再推导，而是直接给出相应的公式，重点推导能量守恒方程。15——能量微分方程3能量守恒方程16对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)4个方程，4个未知量——可求得速度场(u,v)和温度场(t)以及

6、压力场(p),既适用于层流，也适用于紊流17前面4个方程求出温度场之后，可以利用对流换热微分方程：计算当地对流换热系数2、1904年德国科学家普朗特(L.Prandtl)提出了边界层概念，使方程分析解得到发展。说明：1、4个方程，4个未知数(u,v,p,t)，方程虽封闭，但是难求解；185-3对流换热的边界层微分方程组边界层概念：由于流体粘性作用，在靠近壁面处流体速度和温度会发生显著变化，这个发生显著变化的薄层，称为边界层，分为流动（速度）边界层和温度边界层。一、边界层——提出和判断标准19二、速度边界层结构：边界层=层流边界层+过渡区+湍流边界层临界雷诺数Rec

7、粘性底层（层流底层）定义：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层。速度（流动）边界层厚度：规定达到主流速度99％处至固体壁面的垂直距离，记为δ。（1）流场分为主流区和边界层区。只有在边界层区才考虑粘性的影响，需用粘性流体的微分方程描述。在主流区，流体视为理想流体，用贝努利程描述；（2）边界层内厚度δ<<壁面尺寸l，δ=δ(x)；（3）在边界层内，流动状态分为层流、过渡流和紊流；紊流边界层内紧贴壁面处仍有极薄层保持层流状态，称为层流底层。——边界层概念的基本思想速度边界层特点：——边界层理论的基本思想三、热边界层假设来流流体温度为tf，tf≠tw，则有热量传递。定义：

8、靠近壁面处