第五章--对流换热分析.ppt

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1、第五章对流传热的理论基础第一节对流换热概述第二节对流换热的数学描写第三节边界层换热微分方程组的解第四节动量传递和热量传递的类比第一节对流换热概述牛顿冷却公式：=h·（tw-tf）·AWq=/F=h·（tw-tf）=h·△tw/m2一、一般定性分析（各影响因素）1.流动状态或流动起因的影响①状态：层流紊流②起因：自然对流（自由对流）强制对流（受迫流动）2.流体物性参数的影响①↑→h↑②↑→h↑c↑→h↑c↑→h↑③、↓→h↑一般液体：t↑→、↓→h↑而气体：t↑→、↑→h↓④定性温度（特征温度）：经验地取某一特定的温度来确定物性参数。常用

2、的三种方案：a.流体的平均温度tf；b.壁面温度tw；c.流体与壁面温度的算术平均温度tm=（tf+tw）/2。第一节对流换热概述一、一般定性分析（各影响因素）2.流体物性参数的影响⑤常用流体物性参数简介A.密度单位：kg/m3B.动力粘度及运动粘度对于牛顿流体有：=/m2/sC.定压比热容cp：单位：KJ/（kg·K）D.导热系数：单位：w/m·℃E.导温系数a：单位：m2/sF.体积膨胀系数：单位：1/K，对于理想气体有：=1/T定义式为：第一节对流换热概述一、一般定性分析（各影响因素）3.流体相变：冷凝、沸腾、升华、凝华、融化、凝固等

3、，其流动和换热均有一些新规律。4.换热表面几何因素①定型尺寸l：对对流换热计算有决定性影响的特性尺寸。半径R、平板板长L等；②壁面几何因素：几何尺寸、形状、粗糙度、位置等。综上所述：h=f（u、tw、tf、、cp、、、、、l、）目的：通过分析解法或实验求出h与上述因素间的具体函数表达式。第一节对流换热概述二、定量分析（对流过程微分方程式）当粘性流体流过壁面时，流体速度在贴壁处可认为处于无滑移状态，我们可以认为此时对流换热量即为以导热方式穿过极薄的贴壁流体层的导热量，据傅里叶定律：tftwqxxy设此点的局部对流换热系数为hx，则有：设流场中任一

4、处流体温度与壁面温度的差值为过余温度，即：=t-tw，则上式也可写成：上式即为对流换热过程的微分方程式。式中：△x=（w-f）x，其中：w=0，f=tf-tw。第一节对流换热概述二、定量分析（对流过程微分方程式）该方程式的意义：上式说明只要知道流体的温度分布，则据上式即可求出各处的对流换热系数，为求解对流换热问题指明了方向。要求温度场，则必须已知流体的速度场，而速度场可用粘性流体的运动微分方程来解。步骤如下：运动微分方程组：连续方程动量方程速度场能量微分方程温度场过程微分方程式对流换热系数第二节对流换热的数学描写本节研究内容仅限以下情况：1.只

5、分析二维对流换热；2.流体为不可压缩流体，服从=·u/y定律；3.物性参数均视为常量。一、运动微分方程1.连续方程根据质量守恒定律推出：2.动量微分方程（又称纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，简称N-S方程，又称不可压缩粘性流体的运动微分方程）据牛顿第二定律：F=ma及相关流体力学知识推出。第二节对流换热的数学描写A项：惯性力，即ma；B项：体积力，与体积有关的外力，如：重力、电磁力、浮升力等；C项：总压力分别沿x、y方向的分量；D项：粘性流体因粘性而引起的粘滞力。另外：①流场稳态时，有u/=/=0；②当流体受迫流动时一

6、般可忽略体积力；③流体为自由流动时，应考虑浮升力影响。一、运动微分方程2.动量微分方程ABCD第二节对流换热的数学描写二、能量微分方程式据能量能守恒定律与傅里叶定律导出，目的是建立温度场与速度场之间的关系：或写作：简写作：Dt/d=a▽2t1904年德国科学家普朗特（L.Prandtl）提出边界层理论后，用此理论来简化N-S方程，才使用数学分析解的方法来求解对流换热问题成为可能。理论上由上述微分方程再加对流换热过程微分方程式，通过联立解上述微分方程组的方法求得对流换热系数，但由于N-S方程的高度非线性化，使求解变得十分困难。第三节边界层换热微分方程组的解一

7、、流动边界层（速度or运动边界层）如图：速度分布为：y=0处，u=0y↑→u↑↑经一薄层后：u→u∞1.定义①理想边界层：u值自0增加至主流速度，此薄层u∞普朗特称之为理想边界层。②有限边界层（常简称为边界层）：u/u∞=0.99处离壁面的垂直距离间的薄层。0.99u∞主流速度u∞第三节边界层换热微分方程组的解一、流动边界层2.流场的划分①主流区：u/u∞>0.99区。u/y几乎为0，粘滞力相对于惯性力可忽略不计，可看作是无粘性的理想流体，欧拉方程适用。②边界层区：u/y值大，粘滞力大（x=·u/y），流场只能用N-S方程描述。3.流动边

8、界层的形成与发展①粘性流体的两种流动状态层流：流体质