ch8-层流流动与换热ppt课件.ppt

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1、ch8层流流动与换热本章将讨论管内(槽内)以及外掠物体的层流流动和换热的分析解，重点是确定壁面剪应力和阻力系数以及表面传热系数（对流换热系数）和努塞尔数的表达式。8.1管内充分发展区的层流流动和换热8.1.1层流流动在稳定流动的情况下，当粘性流体以均匀流速流入一管道时壁面逐渐形成边界层。当流体再往前推进时，管内速度分布不再改变而形成充分发展的流动。图8－1流体在（a)平行平板间(b)圆管内的流动图8－1(a)平行平板间的速度分布为定物性流体在平行平板间充分发展区的动量方程式，可由N-S方程式简化为（8-1）（8-2）um为截面平均流速是

2、流体的轴向压力梯度，在充分发展区中是一个定值局部阻力系数按壁面剪应力和平均流速来定义（8-3）如图8-1(b),管内流动的充分发展区的动量方程式为（8-4）其速度分布和阻力系数如下：（8-5）非圆形截面管道的流动及其阻力系数。N-S方程式为（8-6）图8-2和8-3给出了矩形管道和同心圆环形管道充分发展区的平均阻力系数。图8-2矩形管道流动充分发展区的平均阻力系数图8-3同心圆环形管道流动充分发展区的平均阻力系数8.1.2层流换热的基本方程式流体在继续往前推进就构成充分热发展区，此时流体的量纲为1的温度分布不再沿推进方向而变。管横截面上

3、按流体能量平均的混合平均温度tm。（8-7）Ac为管道的横截面积。用壁温tw和混合平均温度tm来定义量纲为1的温度：（8-8）在管内换热的情况下，用壁面和流体混合平均温度之差来定义表面传热系数：（8-9）充分发展区vr=0，得出圆管充分发展区层流换热的基本方程式。（8-10）下面就定热流密度和定壁温两类不同的边界条件分别对它积分求解。如图8-4（1）定热流密度（8-11）（2）定壁温（8-12）图8－4定热流密度和定壁温时留题混合平均温度的变化8.1.3圆管内充分发展区的层流换热计算——定热流密度表面传热系数和努塞尔数为（8-13）（定

4、热流密度）（8-14）可见，管内充分发展区层流换热的h和Nu数都是常数。管内换热的斯坦顿数定义为（8-15）8.1.4圆管内充分发展区的层流换热计算——定壁温定壁温能量方程式为：（8-16）定壁温条件下对流换热的努塞尔数为Nu=3.658（8-17）右图为定热流密度(a)定壁温(b)量纲为1的温度分布曲线1的温度8.1.5非圆形管道内充分发展区的层流换热计算对于定物性流体在充分发展区稳定流动时的对流换热，边界层能量方程式为（8-18）表11-1给出了某些非圆形管道内流体作层流流动时在定热流密度和定壁温条件下，用数值得出的努塞尔数。8.2

5、两侧热流密度不等的同心圆环形管道内充分发展区的层流换热8.2.1一侧绝热、另一侧定热流密度的平行平板这种情况的坐标系统示于图11-6，其基本能量方程式和边界条件分别为（8-19）（8-20）该情况下的表面传热系数和努塞尔数为（8-21）（8-22）8.2.2两侧为数值不等的定热流密度的平行平板两个边界条件都是非齐次的，用叠加原理求解。图11-7中角注i和o分别表示平板的内、外侧根据叠加原理，用内、外侧单独加热时的Nuii和Nu∞、相应的修正系数和以及内外侧热流密度的比值来表示两侧加热时的Nui和Nuo：（8-23）（8-24）8.2.3

6、内外侧热流密度不等的同心圆环形管道同样运用叠加原理，最后得到的同心圆环形管道的内、外侧努塞尔数公式与式（11-23）和（11-24）一样。由式（8-23）和（8-24）求得壁温的计算公式为（11-25）8.3已知壁温时的热进口段的对流换热8.3.1流动进口段的阻力特性设有两块无限大平行平板构成二维矩形槽道的流动，定物性流体以匀速ui流入，在近壁处形成了速度边界层，如图11-8所示。当壁面无喷注(vw=0)，考虑到边界层外核心区u∞(x)，则边界层积分动量方程式可写成（8-26）最后得到平行平板间进口段流动的阻力系数为（8-27）8.3.

7、2已知壁温时圆管热进口段的对流换热经过量纲为1的变换，简化后圆管热进口段的基本能量方程为（8-28）式中热进口段的局部表面传热系数和努塞尔数为（8-29）（8-30）各个截面上的qw、θm和Nu数都可以利用表11-1的数据求得。表11-1列出了定壁温下圆管热进口段的求解结果。8.3.3变壁温壁温变化可以是阶梯形的，可根据叠加原理(图11-9)把阶梯形变化的壁温分解成若干个只含一个台阶变化的问题，再把求解结果叠加起来得到变温时对流换热问题的解。n个台阶变化的情况，流场中流体的温度可用下列和式表示（11-30）式中：Δtwi是壁温的第i个台

8、阶变化；ξi是该壁温变化的起始位置。8.4已知热流密度时圆管进口段的对流换热8.4.1定热流密度分析定热流密度圆管热进口段时，流体的量纲为1的温度按下式定义。（8-31）该问题同样可分解成为以下两个分问题：