第五章对流传热的理论基础ppt课件.ppt

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1、对流传热的分类、特点及影响因素；对流传热的数学描述；边界层的概念，特点及其数学描述；第5章对流传热的理论基础主要研究内容：第1节对流传热概述第2节对流传热问题的数学描述第3节边界层型对流传热问题的数学描述*第4节外掠平板传热层流分析解本章具体内容安排：对流传热对流——由于流体内部各部分之间发生相对位移而传递热量的现象，发生在流体内部。对流传热——流体流过固体物体表面所发生的热量传递现象。对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却；高温工件的自然冷却和吹风冷却；对流换传热量可以用牛顿冷却公式计算：由于沿固体表面换热条件的

2、变化，使局部表面传热系数、温差以及热流密度都会沿固体表面发生变化。对于局部对流传热，牛顿冷却公式可表示为：对流传热研究的主要任务：牛顿冷却公式描述了对流换热量与表面传热系数及温差之间的关系，是表面传热系数的定义式，没有揭示出表面传热系数与影响它的物理量之间的内在联系。如何确定表面传热系数的大小，揭示表面传热系数与影响它的相关物理量之间的内在联系是对流传热的核心问题，也是本章学习的主要内容1.对流换热的影响因素影响对流换热的主要因素流体流动产生的原因——强迫对流和自然对流流体的流动情况——层流和紊流流体有无相变发生——沸腾

3、和凝结流体的物理性质——热导率、比热容、粘度换热面的几何因素——几何形状、尺寸和位置5.1对流传热概述(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强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动(2)流动状态(4)换热表面的几何因素：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(3)流体有无相变单相换热、相变换热（凝结、沸腾、升华、凝固、融化等）(5)流体的热物理性质：热导率密度比热容动力粘度运动粘度综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：对单相强制对流，表面传热

4、系数可表示为：2.对流传热分类：（1）微分方程式的数学解析法a）精确解法（近似分析解）：根据边界层理论，得到边界层微分方程组常微分方程求解b）近似积分法：假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程(2）数值解法：近年来发展迅速可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速（3）动量传递和热量传递的类比法利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数（4）实验法:用相似理论指导3.对流传热的主要研究方法理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采用的解决复杂对流换热问题的主要研究

5、方式。5.2对流传热问题的数学描述对流传热问题完整的数学描述包括对流传热微分方程组及其单值性条件。1)流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与换热固体壁面的特征长度l相比非常小;2)流体的物性参数为常数，不随温度变化；3)流体为不可压缩性的牛顿流体。4）流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热；5）流动为二维流动；1.对流传热过程的微分方程以二维对流换热为例，为简化分析，做下列假设：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：流体横向流过垂直于画面方向无限长的平板根据牛顿冷却公式：由傅里叶定律与牛顿冷

6、却公式：hx取决于流体导热系数、温度差和贴壁流体的温度梯度由上式可知，要想求得表面传热系数，首先必须求出流体的温度场。而流体的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。对流传热过程的数学模型应该包括描写速度场和温度场的微分方程。对流传热微分方程推导描写速度场的微分方程包括连续性微分方程、动量微分方程，流体力学中已有详尽推导，这里只引出结果，不做推导。1）连续性微分方程（质量守恒）2）动量微分方程（动量守恒）对流传热微分方程推导描写温度场的微分方程3）能量微分方程（

7、能量守恒）进出微元体的能量微元体的能量守恒可表述为：单位时间内，由导热进入微元体的净热量和由对流进入微元体的净热量之和等于微元体热力学能的增加，即：单位时间内由导热进入微元体的净热量：在导热微分方程部分已推导对流传热微分方程推导单位时间内，由对流进入微元体的净热量：单位时间从x方向净进入微元体的质量所携带的能量为：同理，从y方向净进入微元体的质量所携带的能量为：可得单位时间内对流进入微元体的净热量为：对流传热微分方程推导单位时间内微元体热力学能的增加为：根据微元体的能量守恒表达式可得：整理上式化简总结：描述常物性、无内热

8、源的、不可压缩流体二维对流传热的微分方程组包括：连续性微分方程，动量微分方程以及能量微分方程。前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：计算当地对流换热系数4个方程，4个未知量——可求得速度场(u,v)和温度场(t)以及压力场(p),既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）2.对流换热的单值性条件对流换热过程