传热学-对流换热

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1、传热学第五章对流换热自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分。某些方面还处在积累实验数据的阶段；某些方面研究比较详细，但由于数学上的困难；工程上大多数应用经验公式（实验结果）对流换热的定义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１）必须有流体的宏观运动，必须有温差；２）对流换热既有热对流，也有热传导；３）流体与壁面必须有直接接触；４）没有热量形式之间的转化。对流换热的特点牛顿冷却公式对流换热的基本计算式例子冬天房间温度16℃

2、，朝外外墙0℃，墙厚50cm，面积12m2，导热系数λ2.0W/m℃，求每小时通过该墙的散热量解：散热率为解：散热量为h—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及增强换热的措施是对流换热的核心问题表面传热系数（对流换热系数）例子冬天房间内的空气温度16℃，墙外空气0℃，内外空气对流换热系数8W/m2℃，墙厚50cm，面积12m2，导热系数λ2.0W/m℃，求散热率tair1ts1ts2tair2hλh散热率为5.1.1影响对流换热系数的因素流体流动的起因流体有无相变流体的流动状态换热表面的几何因素流体的

3、物理性质5.1.1影响对流换热系数的因素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所产生的流动（Freeconvection）强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forcedconvection）2、流动状态层流：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（紊流）（Laminarflow）（Turbulentflow）3、流体有无相变单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化h单相

4、面的状态（光滑或粗糙）。影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布。流体与壁的相对位置几何布置对流动的影响5、流体的热物理性质导热系数密度比热容动力粘度运动粘度体胀系数单位温升所引起的体积变化率流动起因：强制对流换热、自然对流换热；流态：层流对流换热与湍流对流换热；流体与固体壁面的接触方式：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；流体在换热中是否发生相变：可分为单相流体对流换热和相变对流换热。5.1.2对流换热现象的分类对流换热：导热+热对流；壁面+流动5.1.4对流换热过程微分方程式当粘性流体在壁面上流动时，由于粘

5、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：为贴壁处壁面法线方向上的流体的温度变化率；为流体的导热系数换热微分方程式确定了对流换热表面传热系数与流体温度场之间的关系。求解一个对流换热问题，获得该问题的对流换热系数或交换的热流量，就必须首先获得流场的温度分布。从热平衡可知，通过壁面流体层传导的热流量最终是以对流换热的方式传递到流体中去的，于是得到如下关系换热微分方程式局部值（1）第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值。（2）第二类边界条件：已知任一瞬间对

6、流换热过程边界上的热流密度值。注意该式与导热问题的第三类边界条件是不同的注意边界条件中的已知量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温度场取决于流场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本节要求：掌握对流换热问题完整的数学描写：对流换热微分方程组及定解条件；对流换热微分方程组：连续性方程+动量微分方程+能量微分方程；熟悉能量微分方程的推导方法及思路：对微元体应用能量守恒定律和傅里叶导热定律；掌握对流换热微分方程组中各项的意义。5-2对流换热问题的数学描述为

7、便于分析，推导时作下列假设：流动是二维的；流体为不可压缩的牛顿型流体；流体物性为常数、无内热源；粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计5.2.1运动流体能量方程的推导能量微分方程式描述流体温度场——能量守恒导入的净热量＋对流传递的净热量＝总能量的增量对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体的能量平衡关系式为：1、以传导方式进入元体的净热流量单位时间内、沿x轴方向导入与导出微元体净热量：单位时间内、沿y轴方向导入与导出微元体净热量：内导入的热量：2、热对流引起的净热量X向由热对流带入微元体的焓单位质量流动工质所携带的总能量X方向热对流带出微元体的焓是

8、常量，提到微分号外边，变为X方向热对流引起的净热量y向热对流引起的净热量热对流引起的净热量连续性方程dτ时间内对流引起的净热量为整理得二维、常物性、无