《对流传热》PPT课件

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1、第九章对流传热对流传热在实际工程中非常重要，只要涉及两种流体之间或流体与壁面之间的热量交换问题都属于对流传热。其中，除了热的流动外，还涉及到流体的运动。温度场与速度场之间也存在相互作用。因此，对流传热机理及其理论体系建立在运动方程、连续性方程和能量方程及边界层理论和湍流理论的基础之上。研究重点是探讨强制层流和湍流下的传热、冷凝和沸腾传热的基本定律。第一节对流传热的机理和膜系数一、传热机理在流体中进行传热时，大多情况下流体总是处于运动状态。运动着的流体微团以内能形式携带着能量由一处移向另一处而进行热量传递

2、过程，这种过程称为对流传热。对流传热包括强制层流、强制湍流、自然对流、蒸汽冷凝及液体沸腾等形式的传热过程。在层流状态下的流体，由于不存在流体的旋涡的运动和混合，故在垂直于流体动方向上的传热为导热。在固体壁面与流体之间的导热，取决于流体内部的温度梯度，该梯度与流场密切相关，流速大，温度梯度也大，故在一般情况下常将固体壁面与流体之间的热量传递过程统称为对流传热。湍流核心缓冲层层流内层在无相变的对流传热中，最为常见的是强制湍流传热，其原因是此种传热过程可获得较大的传热速率。传热机理如下：湍流流体流经固体壁面时

3、，将形成湍流边界层，若流体与壁面的温度不同则它们之间将进行热交换。设流体温度低于壁面温度，则热流会由壁面流向流体中。在壁面附近为层流内层、壁面处的热量首先通过静止的流体层进入层流内层，此时传热方式为流体分子无规律运动所引起，为导热。热流体层流内层进入缓冲层，此层既有流体微团的层流流动，也存在一些使流体微团在热流方向上作旋涡运动的宏观运动，故在缓冲层内兼有导热和涡流传热两种传热方式。热流最后由缓冲层进入湍流核心，在这里，流体剧烈湍动，涡流传热较分子传热剧烈的多，导热可忽略不计。有相变的传热过程——沸腾和冷

4、凝传热的机理与湍流有些不同。主要由于有相的变化，界面不断骚动，故而传热速率大大加快，但其仍然按对流传热的规律处理。二、热边界层定义：流体流过固体壁面时，其流体温度与壁面不同，则壁面附近的流体受壁面温度的影响将建立一个温度梯度。一般将流体流动存在温度梯度的区域定义为热边界层。热边界层的形成与发展过程与流速边界层相似。为方便，通常规定：流体与壁面间的温度差（）达到最大温差的99％时的y方向距离为热边界层的厚度。是x的函数。平板上和圆管内的温度边界层如图所示：流体以匀速u0和均匀温度t0流过温度为ts的平板。

5、由于流体与壁面之间发生热量传递，在y方向上流体温度将发生变化。热边界层厚度δt在x＝0处也为零，然后随x的增加也逐渐增厚。圆管内热边界层的形成与发展也类似，热边界层厚度由进口的零值逐渐增厚，经过一个x距离后，在管中心汇合。yrrxt0tsts对流传热系数（膜系数）根据湍流传热机理可知，湍流流体与固体壁面之间有一层层流内层存在，层流的传热依靠导热，而在湍流主体中主要是靠涡流传热。就热阻而论，层流内层将占总对流热阻的大部分，该层流体虽然很薄，热阻却很大，温度梯度也很大。湍流核心的温度则较均匀，热阻很小，温度

6、梯度也很小。为了简化起见，可采用流体平均主体温度与壁面间的温度差作为流体与壁面的温度差。全部热阻均集中在壁面附近厚度为δf的流体膜内，在此情况下，膜内的的热阻方式可视为导热。由流体主体至壁面的温度分布如图所示根据傅立叶定律，传热速率的表达式为：（9-1）δf为导热膜厚度，该值不易测定，其大小与许多因素有关，令（9-2）则：（9-3）该方程称为牛顿冷却定律，h称为对流传热系数。h与下列因素有关：⑴流体物性⑵壁面的几何形状和粗糙度⑶流体与壁面间的温差⑷流体速度⑸层流内层厚度由于h实际上表示的是薄层内的传热系

7、数，故又称为膜系数。局部膜系数与平均膜系数的关系为：（9-4）hx为x处的膜系数在实际中求解膜系数时，常将其与壁面附近流体的温度梯度关联起来。根据傅立叶定律有：（9-5）在该处热量必定以对流方式传递到主体中去，故q又可表示为：（9-6）由此可得：（9-7）由此看来，要想求出h，关键是计算壁面的温度梯度其步骤是：运动方程连续性方程速度分布函数温度分布函数膜系数能量方程很显然，只有层流状态下，才能进行严格的求解，而对于湍流，目前还只能依靠经验方程。第二节层流下的热量传递严格地讲，层流状态下的传热，也会因为非

8、等温因素存在密度差，导致自然对流传热，所以下面讨论的层流传热只能指理想情况。一、平板壁面层流传热的精确解与壁面温度不同的流体，在平板壁面作稳态平行层流时，在壁面附近将同时建立速度边界层和温度边界层。两种边界层厚度一般不相等。大多数情况下，速度边界层较温度边界层厚，边界层以外无温度梯度和速度梯度。最关键问题是边界层内的温度分布。t0u0δ前已推到出边界层内的普兰德边界层方程：边界层内的能量方程可简化为：（9-8）由于可得：（9-9）边界层方程