第五章 对 流 换 热

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1、第五章对流换热   本章内容要求：  1、重点内容： 对流换热及其影响因素； 牛顿冷却公式； 用分析方法求解对流换热问题的实质 边界层概念及其应用 相似原理 无相变换热的表面传热系数及换热量的计算 2、掌握内容：对流换热及其影响因素；用分析方法求解对流换热问题的实质 3、讲述基本的内容：对流换热概述；对流换热的数学描写；对流换热的边界层微分方程组；边界层积分方程组的求解及比拟理论；相似原理及量纲分析；相似原理的应用；内部流动强制对流换热实验关联式；外部流动强制对流换热实验关联式；自然对流换热实验关

2、联式 在绪论中已经指出，对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，是发生在流体中的热量传递过程的特例。由于流体系统中流体的运动，热量将主要以热传导和热对流的方式进行，这必然使热量传递过程比单纯的导热过程要复杂得多。本章将在对换热过程进行一般性讨论的基础上，将质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律应用于流体系统，导出支配流体速度场和温度场的场方程－对流换热微分方程组。由于该方程组的复杂性，除少数简单的对流换热问题可以通过分析求解微分方程而得出相应的速度分布和温度分布之外，大多数对流

3、换热问题的分析求解是十分困难的。因此，在对流换热的研究中常常采用实验研究的方法来解决复杂的对流换热问题。在这一章，我们将通过方程的无量纲化和实验研究方法的介绍而得到常用的准则及准则关系式。讨论的重点放在工程上常用的管内流动、平行流过平板以及绕流圆管的受迫对流换热，大空间和受限空间的自然对流换热，以及蒸汽凝结与液体沸腾换热。     §5-1对流换热概述 本节要求：1。对流换热的概念：流体固体壁面；2．对流换热中，导热核对流通式汽作用；3．对流换热的影响因素：，h——过程量；4．对流换热系数如何确定

4、：1对流换热过程对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，（直接接触是与辐射换热的区别），是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。由于涉及流体的运动使热量的传递过程变得较为复杂，分析处理较为困难。因此，在对流换热过程的研究和应用上，实验和数值分析的处理方法是常常采用的。下面我们以简单的对流换热过程为例，对对流换热过程的特征进行粗略的分析。图5－1表示一个简单的对流换热过程。表示流体以来流速度u和来流温度t流过一个温度为tw的固体壁面。这里选取流体沿壁面流动的方向为x坐标、垂直

5、壁面方向为y坐标。由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态（此论点对于极为稀薄的流体是不适用的）。又由于流体分子相互之间的穿插扩散和(或)相互之间的吸引造成流体之间的相互牵制。这种相互的牵制作用就是流体的黏性力，在其作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。由于流体的分子在固体壁面上被吸附而处于不流动的状态，因而使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带

6、到下游（热对流），因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。这里，我们把流体在壁面附近的速度和温度分布也示意性地表示在图5－1中。 2对流换热过程的分类    由于对流换热是发生在流体和固体界面上的热交换过程，流体的流动和固体壁面的几何形状以及相互接触的方式都会不同程度影响对流热交换的效果，由此也构成了许许多多复杂的对流换热过程。因此，为了研究问题的条理性和系统性，以及更便于把握对流换热过程的实质，我们按不同的方式将对流换热过程进行分类。然后再分门别类地进行分析处理。    在传

7、热学中对流换热过程的习惯性分类方式是: 1）按流体运动的起因可分为自然对流换热和受迫对流换热； 2）按流体与固体壁面的接触方式可分为内部流动换热和外部流动换热； 3）按流体的运动状态可分为层流流动换热和湍流流动换热； 4）按流体在换热中是否发生相变或存在多相的情况可分为单相流体对流换热和多相流体对流换热。    湍流流动极为普遍，从自然现象看，收获季节的麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬，都是由空气的湍流引起的。湍流的运动服从某种统计规律，而不是杂乱无章。香烟的烟在静止的空气中上升，可以看到从层流到湍

8、流的转化。湍流会消耗能量（同摩擦力消耗能量一样），没有湍流的世界是不可想象的。如果没有湍流，把酱油倒进汤里，花半小时酱油才能和汤混合，用汤匙一搅，依靠湍流几秒钟它们就混合在一起了。如果没有湍流的掺混，烟囱浓烟中的有害物质将长期积聚，危害人类环境。    对于实际的对流换热过程的，按照上述的分类，总是可以将其归入相应的类型之中。例如，在外力推动下流体的管内流动换热是属于受迫内部流动换热，可以为层流亦可为湍流，也可以有相变发生，使之从单相流动变为多相流动；再如，竖直的热平板在空气中冷却