第四章 对流换热原理

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1、第四章对流换热原理§4‐1对流换热概述§4‐2层流流动换热的微分方程组§4‐3对流换热过程的相似理论§4‐4边界层理论E‐mail:xmhuang@hust.edu.cnMobile:13886044824学习目标学习重点和难点1.掌握对流换热的定义、分类和对流换热微分方程式；1.深刻理解影响对流换热系数的因素；2.掌握层流流动换热的微分方程组组成和方程各项含义；2.理解层流流动换热的微分方程组各项含义；3.了解对流换热过程的相似理论求解方法和准则数定义；3.准则数的导出和物理意义；4.掌握边界层理

2、论及求解方法。4.边界层方程组的简化过程。1.对流换热过程热对流：由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。第一节对流换热概述实际对流换热过程：热对流+热传导对流换热：流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递。1.对流换热过程1.对流换热过程Φ=hAtΔ=hAt()wf−tΦ=hAtΔ=hAt()wf−t•表面传热系数h是一个过程量。(1)对流换热的影响因素有哪些？•与对流传热的类型、流体的种类、温度、流速、壁(2)针对各种特征的对流换热，如

3、何进行分类研究？面的形状和温度有关。(3)用什么方法获得h的具体表达式呢？•形式简单的牛顿冷却定律仅可作为表面传热系数的定义，把影响对流传热过程的一切复杂因素归结到对流换热系数上。•对流换热研究的目标——用理论或实践的方法具体给出各种场合下h的计算关系式(经验半经验公式)。2.对流换热的过程3.对流换热的影响因素流体以来流速度u和来流温度t流过一个温度为t的∞∞w表4-1对流换热影响因素固体壁面的流动换热过程。流动起因自然对流、强制对流流动状态层流、湍流流体与壁面接触方式内部流动、外部流动有无相变凝

4、结、沸腾、升华、凝固、融化等流体的热物理性质导热系数λ、比热容c、密度ρ、粘性系数μ两种机理：分子的微观导热；微团的宏观对流。三个要素：流动着的流体；固体壁面；温差。3.对流换热的影响因素3.对流换热的影响因素1）流动起因2）流体的流动状态¾强制对流：由于外部动力¾层流：流体微团沿着主源（如：泵、风机）所引流方向作有规则的分层流起的流动。动；¾自然对流：由于流体各部¾湍流：流动时流体各部分温度不同而引起的密度h>h分之间发生剧烈的混合。粘性流体的层流、过渡流和湍流强制自然差所产生的流动。h>h湍流层

5、流3.对流换热的影响因素3.对流换热的影响因素3）流体与固体壁面接触方式4）流体有无相变¾单相对流换热：过程中流体¾强制对流分为内部流动不发生相变。换热和外部流动换热；¾相变对流换热：过程中发生¾自然对流分为大空间和相变。又可以根据相变过程分受限空间。为蒸发、冷凝等相变。几何因素对对流换热的影响竖管管内沸腾示意3.对流换热的影响因素3.对流换热的影响因素5）流体的热物理性质5）流体的热物理性质密度和比热容：其乘积为流体的体积热容，物理意义常温下：为单位体积流体携带并转移热量。3(ρ·cp)水=417

6、5kJ/(m·℃)，c↑h↑(ρ·cp)空气=1.21kJ/(m3·℃)ρpλ水=0.599W/(m.K)；导热系数：直接影响流体内部的热量传递过程和温度λ空气=0.0259W/(m.K)分布状态，特别是对紧贴固体壁面的那部分流体来说，导热系数更是起着关键的作用。相同条件下水的冷却能力必定大大强于空气。λ↑h↑生活和工业中通常采用水作为冷却介质3.对流换热的影响因素4.对流换热的分类2.对流换热的分类5）流体的热物理性质粘度：通过流态影响对流换热的强弱。μ↑h↓粘度越大的流体，相同流速下越不容易发展

7、成湍流状态。高粘度油类：易处于层流状态，表面传热系数较小。体积膨胀系数：主要影响自然对流传热，与水相比，空气更容易发生自然对流11⎛⎞∂∂v⎛⎞ρα==⎜⎟−⎜⎟VvT⎝⎠∂∂ρ⎝⎠Tpp5.对流换热微分方程5.对流换热微分方程•从对流换热过程的能量传递特征来看，对流换λ∂th＝－热量就等于贴壁流体层的导热量。Δt∂yy=0•将Fourier定律应用于贴壁流体层，可得：¾h取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯∂tq=−λ度。∂yy=0¾温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、换热•将牛顿冷却公

8、式应用于对面的几何因素、流体物性均有关。流换热有：qht=Δ¾速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：连续——两式联立：性方程、动量方程、能量方程。λ∂th=−Δ∂tyy=0【小结】(1)对流换热的影响因素有哪些？——凡是会影响对流换热的两个机理、三个要素的，都会影响对流换热交换的效果。(2)针对各种特征的对流换热，如何进行分类研究？——对流换热的研究需要根据主要影响因素进行分类，然后第二节层流流动换热的微分方程组分门别类地研究。(3)用什么方法获得h的具体表达式呢？