材料科学工程课件23对流换热

《材料科学工程课件23对流换热》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三节对流换热计算传热学3.1对流换热基本定律3.2对流换热微分方程3.3对流换热问题的数学描述3.4自然对流换热3.5流体强制对流时的对流换热传热学对流换热的定义和性质对流换热的特点对流换热的基本计算式对流换热系数(表面传热系数)3.1对流换热基本定律传热学1对流换热的定义和性质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。●对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式传热学(1)导热与热对流同时存在的热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有

2、温差(3)由于流体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对流换热的特点传热学3对流换热的基本计算式牛顿冷却公式:传热学4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影响表面传热系数的因素传热学(1)流动起因:FreeconvectionorForcedconvection(2)流动状态:LaminarfloworTurbulentflow传热学(3)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(4)流

3、体有无相变(5)换热面的几何状况平壁表面？　圆管内？　圆管表面？传热学综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：传热学当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0,u=0）在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。根据傅里叶定律：3.2对流换热过程微分方程传热学h取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度对流换热过程微分方程式牛顿冷却公式:传热学3.3对流换热问题的数学描述1）对流换热取决于流体的运动和热现象。对于流体的运动有：（1）质量守恒定律（连

4、续性方程）传热学（2）粘性流体的运动微分方程传热学热现象（3）不可压缩、常物性、无内热源时,能量守恒定律:（4）对流换热微分方程：对于不可压缩、无内热源、稳态二维问题共3个方程，包含了4个未知数（ux,uy,p,t）。虽然方程组是封闭的，原则上可以求解，然而由于Navier-Stokes方程的复杂性和非线性的特点，要针对实际问题在整个流场内数学上求解上述方程组却是非常困难的，这种局面直到1904年德国科学家普朗特（L.Prandtl)提出著名的边界层概念，并用它对Navier一Stokes方程进

5、行了实质性的简化后才有所改观，使数学分析解得到发展。后来，波尔豪森（E.Pohlhausen)又把边界层概念推广应用于对流传热问题，提出了热边界层的概念，使对流传热问题的分析求解也得到了发展。质量守恒方程能量守恒方程动量守恒方程传热学层流底层缓冲层紊流过渡流层流2）对流换热边界层及边界层微分方程组传热学层流边界层——速度梯度较均匀地分布于全层。湍流边界层——在紧贴壁面处，仍有一层极薄层保持层流状态，称为层流底层。速度梯度主要集中在层流底层。传热学等温流动区温度边界层热边界层热边界层：靠近壁面温度急

6、剧变化的薄层。传热学对流换热分析（1）流体流经固体壁面时形成流体边界层，边界层内存在速度梯度；（2）当形成湍流边界层，在此薄层内流体呈层流流动。因此在层流内层中，沿壁面的法线方向上没有热对流，该方向上热的传递仅为流体的热传导。（3）在湍流主体中，流体质点剧烈混合并充满了漩涡，湍流主体中的温度差(温度梯度)极小，各处的温度基本上相同。（4）在湍流主体和层流内层之间的过渡层内，热传导和对流传热均起作用，在该层内温度发生缓慢的变化。传热学问题1.对流换热的本质是什么？问题２.对什么么紊流的对流换热系数大

7、于层流？为什么流体的导热系数对换热系数有影响？为什么流体的粘度对换热系数有影响？为什么换热表面对换热系数有影响？……………问题传热学平板上对流换热系数边界条件y=0y=∞沿板长的对流换热系数平均换热系数传热学3）相似原理及量纲分析通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而，对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找出众多变量间的函数关系，实验的次数十分庞大。为了大大减少实验次数，而且又可得出具有一定通用性的结果，必须在相似原理指导下进行实验。传热学4）相似原理的

8、应用相似原理在传热学中的一个重要的应用是指导试验的安排及试验数据的整理。相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。所谓模化试验，是指用不同于实物几何尺度的模型（在大多数情况下是缩小的模型）来研究实际装置中所进行的物理过程的试验。（1）相似原理的重要应用：传热学（2）使用特征方程时应注意的问题：特征长度应该按准则式规定的方式选取特征长度：包含在相似特征数中的几何长度。如：管内流动换热：取直径d流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度：de传热学定性温度应按该准则式规