对流换热分析

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1、Chapter5对流换热分析IntroductiontoConvection对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。牛顿冷却公式确定换热系数(h)的途径理论解法：分析解法、积分近似解法、数值解法和比拟解法实验研究：相似原理指导§1对流换热概述1.1影响对流换热的因素一、流动起因和流动状态1.流动起因1)自然对流（freeconvection）2)受迫对流（forcedconvection）2.流动状态1）层流（laminarflow）2）紊流（turbulentflow）二、流体的物理性质

2、(Thermophysicalpropertiesoffluids)密度(Density)：，kg/m3热导率(Thermalconductivity)：,W/m·K定压比热(Specificheatatconstantpressure)：cp,J/kg·K热扩散率(Thermaldiffusivity)：a,m2/s动力粘度(Dynamicviscosity)：,N·s/m2运动粘度(Kinematicviscosity)：,m2/s体膨胀系数(Volumetricthermalexpansi

3、oncoefficient)：v,1/K(影响自然对流换热)定性温度(Characteristictemperature)：确定流体物性的特征温度。流体平均温度Averagetemperatureoffluid壁表面温度Temperatureofwallsurface流体与壁的算术平均温度Averagetemperaturebetweenfluidandwallsurface三、流体的相变（PhaseChange）四、换热面几何尺寸、形状及位置壁面几何因素影响流体在壁面的流态、速度分布、温度分布()

4、。定型尺寸（l）：对换热有决定影响的特征尺寸。总结：1.2对流换热过程微分方程式（Convectiontransferdifferentialequations)根据傅立叶定律和牛顿冷却公式：（1）（2）引入过余温度——对流换热过程微分方程式目的：求解hx边界条件：1.壁温边界条件求温度梯度(temperaturegradient)2.热流边界条件温度场能量方程＋速度场对流换热系数与流体温度场的关系，称为对流换热过程微分方程式。§2二维对流换热微分方程组(Two-dimensionalconvectio

5、nheattransferequations)x方向动量方程y方向动量方程确定速度场连续性方程确定温度场能量方程表面传热系数微分方程组未知量：速度分量u，速度分量v，温度t，压力p2.1连续性方程（Continuityequation）Massconservationofcontrolvolume(dxdy)，X-direction：(unittime，z=1)InflowOutflowY-direction：InflowOutflow质量守恒(Massconservation)常物性、不可压缩稳态流动

6、(Constantproperties,incompressiblefluids,steadyflow)2.2动量微分方程式(Momentumequation)惯性力＝微元体的质量加速度Inertiaforce＝MassAcceleration在和方向分别为方向加速度方向加速度2.微元体所受的外力1）体积力（bodyforces）式中X、Y为单位体积流体在x、y方向分别受到的体积力分量2）表面力（surfaceforces）方向受到的表面力分别为：法向应力(Normalstresses)：x,y

7、；切向应力(Shearstresses)：xy,yx动量守恒方程(Momentumequations)代入上两式得（5-4a）（5-4b）（1）（2）（3）（4）Physicalsignificance:（1）惯性力(inertiaforce)（2）体积力(bodyforce)（3）压力梯度(pressuregradient)（4）粘滞力(viscosityforce)对于稳态流动只有重力场时连续性方程+动量方程速度场2.3能量微分方程式(EnergyEquations)设为导热量；为热对流传递的

8、能量x方向导入的净热量＝y方向导入的净热量＝x方向热对流传递的净能量＝y方向热对流传递的净能量＝根据能量守恒假设为常物性、不可压缩稳态流动，得：或（5-5）§3边界层换热微分方程组的解3.1流动边界层（Flowboundarylayers）一、基本概念1.边界层的厚度（Boundarylayerthickness）2.有限边界层厚度（Limitedboundarylayerthickness)3.牛顿流体粘性定律（Newtonianvisc