换热系数大自然对流教学提纲.ppt

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1、换热系数大自然对流流动起因：受迫流动：流速一般较大，换热系数大自然对流：流速一般较小，换热系数小流动状态：层流：热扩散机理主要为分子扩散，热扩散系数一般小紊流：流体掺混作用强化了热扩散，热扩散系数一般大流体的热物性：导热系数大，热扩散能力强，对流换热系数大；比热、密度大，热对流传递热量的能力强，壁面附近温度梯度大，有利于对流换热；流体的热物性：粘度定义：粘度大，流动弱，热对流传递热量的能力小；体积膨胀系数：体积膨胀系数大，浮升力大，自然对流强，换热得到加强。定性温度：用以确定物性参数的特征温度。三种常见选择方案，，

2、流体相变：相变热强化换热几何因素：几何形状，尺寸，相对位置1.3对流换热微分方程式对流换热界面导热或第二节对流换热微分方程组本节讨论常物性不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题。连续性方程：x方向动量方程：y方向动量方程：能量方程：4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对流换热（强迫、自然、层流、紊流换热）都适用。第三节边界层换热微分方程组的解3.1流动边界层边界层厚度:0.99处离壁的距离流场划分：主流区与边界层区；层流、过度流与紊流(利用临界距离与临界雷诺数进

3、行判断)；紊流核心与层流底层。总结边界层特征，主要有四点：（1）边界层极薄，；（2）边界层内速度梯度大；（3）边界层内分层流与紊流，紊流边界层包括紊流核心与层流底层；3.2热边界层热边界层厚度：0.99处离壁的距离（4）流场分为主流区（无粘区）与边界层区（粘性区）。相同量纲的量进行比较，区别不同量的量级大小；每个基本量纲选定一个比较标准；选一组独立的完备的标准量；3.3数量级分析与边界层微分方程数量级分析的基本思想：与标准量相当的量，记为的量级，简记为1，比标准量小得多的量，记为的量级，简记为，即目标：对微分方程组

4、中的各项进行数量级比较，略去高阶小量，简化方程组。[例]：二维稳态受迫流动边界层对流换热微分方程组的数量级分析标准量：速度，温度，长度量。通过比较发现：对于体积力可以忽略的稳态受迫对流换热，比较x和y方向的动量微分方程，可忽略y方向的动量微分方程。数量级分析简化后的微分方程组为：外掠平板层流边界层微分方程精确解由量级分析得到的微分方程组，可求出速度场，温度场及局部表面传热系数：特征数关联式：努塞尔数的物理意义：无因次对流换热系数普朗特数物理意义：分子动量扩散与热扩散能力之比注意：定性温度为边界层的算术平均温度或平均

5、表面传热系数：第四节边界层换热积分方程组及求解积分方程组的解又称近似解。以下讨论针对常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体、忽略耗散热的二维稳态对流换热，Pr>1,4.1边界层动量积分方程及求解（1）选取包含微元段边界层的控制体积作为研究对象(2)分析控制体界面上的质量流量、动量流量及受力情况adcb控制体积abcd(3)建立边界层动量积分方程:经过推导其中和(4)补充速度分布形态(5)求边界层厚度及摩擦系数当时分析得4.2边界层能量积分方程badc(1)分析控制体的热平衡(2)建立能量积分方程式单位时间内进入控制体的

6、热量等于流出控制体的热量(3)补充温度分布形态(4)求出热边界层厚度及局部表面传热系数第五节动量传递和热量传递的类比本节主要利用两传类比讨论紊流换热问题。5.1紊流动量传递和热量传递(1)瞬时速度=平均速度+脉动速度(2)瞬时温度=平均温度+脉动温度(3)紊流动量传递(如图)脉动粘滞应力脉动速度雷诺应力脉动速度y向质流通量a-a面下面x向脉动速度脉动传递的动量是y向质流通量a-a面上面x向脉动速度脉动传递的动量是总粘滞应力（4）紊流热量传递脉动传递热量总传递热量雷诺类比的表达式及适用条件——适用条件假设：积分结果：

7、或即雷诺类比：斯坦登数表达式柯尔朋类比表达式或由实验测量及理论分析得外掠平板紊流局部摩擦系数求局部表面传热系数准则关联式?[例]：类比表达式的应用举例—外掠平板紊流换热准则关联式[解]：将局部摩擦系数表达式代入柯尔朋类比表达式展开为：化简为：第六节相似理论基础相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换热问题的可靠方法。6.1物理相似的基本概念（1）几何相似：同类图形各对应边成比例。（2）物理现象相似：同类现象对应瞬间对应点各应物理量对应成比例，即各物理量场相似。对流换热中相关物理量场包括温度场、速度场、粘度场、导

8、热系数场…。物理量场相似例1：两圆管内稳态流动速度场相似对应点速度成比例物理量场相似例1：外掠平板非稳态流动边界层温度场相似对应时刻对应点温度成比例6.2相似原理(1)物理现象相似的性质：彼此相似的现象，他们的同名相似准则必定相等。即证明举例两现象对流换热微分方程式如果两现象相似，则相似关系为代入下式得比较得得得按照相同的方法可从动量微分方程、能量微分方程得