传热学(第四版)第五章：对流传热的理论基础.ppt

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1、第五章对流换热1第五章对流传热的理论基础认识对流传热过程的物理机制、建立对流传热系数的计算方法。理解速度边界层和热边界层及其特征，熟悉相似原理和特征数。第五章对流换热2本章教学思路1，对流传热定义；2，对流传热物理机制；3，对流传热数学描述；3，对流传热理论的发展简史；4，速度边界层；5，温度边界层：以流体横掠等温平板为例；7，相似原理；8，相似原理的应用：再以流体横掠等温平板为例。第五章对流换热31对流传热的定义流体流过固体表面时，流体与固体之间的热量传递。工程上约定的计算习惯：h为对流传热系数或表面传热系数，单位为W/(m2.K)，它不是流体的属性，而是为了方便工程计算而定义的参数。§5

2、-1对流传热与边界层第五章对流换热42对流传热(表面传热)的物理机制几种说法：(1)对流传热的本质是导热；(2)对流传热是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；(3)对流传热的物理机制是边界层。（√）可以这样理解：紧贴固体表面的流体薄层，和固体表面间没有相对运动，热量只能通过导热的方式由流体传递给固体（或由固体传递给流体），而边界层本身的特征却受到热对流的影响。第五章对流换热5温度梯度由边界层的（温度场）确定，而（温度场）取决于其（流场），（流场）又取决于流体热物性、流动状况（层流或湍流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度。对流换热系数/表面传热系数hx取决于流体热导系数、传热温度差和贴壁流体

3、的温度梯度所以，对流传热系数的主要影响因素（归类）(1)流动起因（影响流速）；(2)流动状态（层流/湍流）;(3)流体的热物理性质；(4)流体有无相变;(5)换热表面的几何因素。第五章对流换热63对流传热问题的数学描述假设：二维、无内热源运动流体的能量守恒方程关于上述方程的几点说明：（1）方程由非稳态项、对流项、扩散项组成；（2）能量输运方式的比喻：车流或排队中的对流和扩散；（3）傅里叶能量守恒方程（1812年）：（4）一般形式：（5）运动流体的能量守恒方程中引入了流场变量。第五章对流换热7Navier-Stokes方程（1820年~1850年）4个方程，4个未知量:速度u、v；温度t；压力

4、p；所以，流体流动理论是对流传热理论建立的必要前提。1850年前就已建立了流动理论，但是当时无法求解。直到1904年-1908年，普朗特提出边界层理论。。。第五章对流换热84对流传热理论的发展简史Nusselt1910年发表”管内换热理论解”Fourier1822年发表“热的解析理论”第五章对流换热9Navier-Stokes方程的建立（1820年~1850年）第五章对流换热10层流到湍流的转变：Reynolds数（1880年~1883年）澄清了当时流体流动实验结果的混乱。第五章对流换热11边界层理论（1904年、1908年）普朗特边界层理论在流体力学发展史上具有划时代的意义。第五章对流换热

5、12对流传热理论蓬勃发展（1910年以后）1921年波尔豪森热边界层1930年Schmit等竖壁附近空气的自然对流。。。。。。第五章对流换热135速度边界层理论（回忆流体力学知识）边界层理论是在研究流体流过固体表面时阻力特性这一问题时提出来的。研究背景第五章对流换热14普朗特边界层理论：粘性流体流过固体表面时，粘滞性起作用的区域仅仅局限在靠近壁面的薄层内。Prandtl’sideaoftheboundarylayer:athinregiononthesurfaceofabodyinwhichviscouseffectsareveryimportantandoutsideofwhichthef

6、luidbehavesessentiallyasifitwereinviscid.流体流过固体表面时，。。。第五章对流换热15边界层的特征:(1)薄；(2)沿平板长度层流过渡到湍流。第五章对流换热16普朗特边界层方程（1904年提出）由于N-S方程第五章对流换热17上述方程可解。普朗特的学生布拉休斯成功求解了边界层方程（1908年），得到了边界层内速度场：x为当前点与板前缘的距离。上述理论解与实验值吻合。普朗特边界层理论在流体力学发展史上具有划时代的意义。根据速度场，便可以求得边界层的厚度、局部阻力等：注意：层流第五章对流换热18阻力特性在工业设计中的应用举例流线型设计第五章对流换热196温

7、度边界层厚度t范围—热边界层或温度边界层t—热边界层厚度与t不一定相等1921年波尔豪森在速度边界层的启发下引入热边界层的概念，当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度薄层（热边界层）。流体外掠等温平板的传热第五章对流换热20根据边界层理论，简化对流传热问题如下：给定边界条件为第五章对流换热21注意：层流x为当前点与板前缘的距离。上述理论解与实验值吻合。求解上述方程组(层流边界层对流换热微分方