重庆科技学院教案用纸

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1、重庆科技学院教案用纸第6次课课题：对流换热（2学时）一、本课的基本要求1．掌握对流换热系数的单位、物理意义、影响因素。2．了解对流换热系数的确定方法。3．掌握热边界层概念及对流换热机理。4．会计算流体流过平板时的对流换热量。二、本课的重点、难点重点：对流换热系数的单位、物理意义、影响因素，热边界层概念及对流换热机理。难点：对流换热简化模型的理解。三、作业习题P19511-811-9四、教参及教具《动量、热量、质量传输原理》高家锐主编重庆大学出版社图11-3第11章对流换热对流换热又称对流传热、对流给热，是指流体流过表面时的热量传输过程。研究目的：求对流换热量。

2、13.1对流换热的基本概念1．对流换热系数对流换热量计算采用牛顿冷却公式：φ=h(tf−tw)AW或q=h(tf−tw)W/m2式中tt—流体及表面温度，℃；A—传热面积，m2；h—对流换热系数fw（1）单位：2℃W/m⋅（2）物理意义：单位时间、通过单位面积、在单位温差下的对流换热量，表征流体对流换热作用。（3）影响因素：影响对流换热作用的因素如流体流动的起因、流动的性质、流体的物性、表面几何特性等。研究对流换热的关键：确定不同条件下的对流换热系数h。确定方法：（1）精确解法F-K方程、N-S方程、连续性方程、边界换热微分方程联立求解。适用简单问题。（2）近

3、似积分法取控制体建立能量积分方程，求得温度场的近似关系后，求解积分方程。适用简单问题。（3）相似理论-模型实验法是应用最广，最实用的方法。适用复杂的实际问题。（4）类比法热量传输与动量传输的类似性。在一定程度上有效。2．热边界层及对流换热机理热边界层的定义：流体流过表面并与之发生对流换热时，靠近表面形成的具有温度梯度的流体薄层。热边界层的基本特征：与动量边界层类似，如图11-3P177第１页重庆科技学院教案用纸x↑δ↑；热边界层有层流和紊流之分；热边界层外的温度梯度为零，可视为等温区。t在流动的法向上，紊流边界层可分为紊流层、过渡层和层流底层。紊流层紊流扰动强

4、烈，流体法向掺混作用大，热阻极小，温度梯度为零。对流过渡层紊流拢动减弱，流体法向掺混作用减弱，热阻明显增加，温度梯度不可忽略。对流、导热层流底层流体法向掺混作用可忽略，热阻大，温度梯度大。导热有效热边界层：流体与表面进行对流换热时，只存在温度均一、温度梯度为零的紊流核心区和集中全部热阻、温度线性分布的层流底层区。紊流核心区与层流底层区假想温度分布线的交点至表面的停滞流体层，称为“有效热边界层”，其厚度以δ′表示。引用单层平壁导热计算t式：λφ=(tf−tw)Aδ′tλ与牛顿冷却公式比较可得：h=δ′t此式为根据“有效热边界层”得到的对流换热系数关系式。说明影响

5、对流换热系数h的因素。3．对流换热系数计算式∂t在表面上的导热量：q=−λ即为对流换热量q=h(t−t)则y=0fw∂y∂t∂t−λ−λy=0y=0∂y∂yh==t−t∆tfw此式称为对流换热系数计算式，又称边界换热微分方程。分析：求得边界层温度场→h精确解法、近似积分法求h的基本思路。11.2流体流过平板时的对流换热1．层流边界层对流换热微分方程组F-K方程、N-S方程、连续性方程、边界换热微分方程。2∂v∂v∂vxxxN-S方程v+v=νxy2∂x∂y∂y2∂t∂t∂tF-K方程v+v=axy2∂x∂y∂y∂vx∂vy连续性方程+=0∂x∂y∂t∂t−λ−

6、λy=0y=0∂y∂y边界换热微分方程h==t−t∆tfw由此可见，能量方程与动量方程类似，如果a=ν温度场与速度场完全一致。νPr=为普朗特数，将温度场与速度场联系起来。a第２页重庆科技学院教案用纸2．对流换热系数的近似积分解法求解步骤：1）通过边界层控制体的能量平衡，建立能量积分方程；232）利用边界层特性，假定温度场t=a+by+cy+dy；3）求解能量积分方程；4）求对流换热系数。113局部值Nux=0.332PrRex2213−St⋅Pr=0.332Re2xxhxNu=xNuxhxv0xx称努塞尔数Stx==称斯坦顿数Rex=λRePrcρvνxp0

7、11Nu=0.664Pr3Re2平均值L21−St⋅Pr3=0.664Re2LhLNuhvLNu=St==0Re=LλReLPrcpρv0ν上述公式适用条件：1）Pr>1。一般液体：Pr=1～50适用气体：Pr=0.6～1.0近似适用液体金属：Pr=0.001～0.2不适用2）Re<5×10513）定性温度tm=(tf+tw)2例11-1例11-2P1813．紊流边界层下的对流换热2114k−St⋅Pr3=f=0.037Re5Nu=0.037Pr3Re5类比法：LL2适用条件：ReL=5×105～107层流边界层段可忽略一般层流边界层段不可忽略：41Nu=(0

8、.037Re5−870)Pr3L例11