傳熱學(xué)-對(duì)流換熱

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1、傳熱學(xué)第五章對(duì)流換熱自然界普遍存在對(duì)流換熱，它比導(dǎo)熱更復(fù)雜。到目前為止，對(duì)流換熱問(wèn)題的研究還很不充分。某些方面還處在積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的階段；某些方面研究比較詳細(xì)，但由于數(shù)學(xué)上的困難；工程上大多數(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）對(duì)流換熱的定義對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象?！駥?duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式１）必須有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，必須有溫差；２）對(duì)流換熱既有熱對(duì)流，也有熱傳導(dǎo)；３）流體與壁面必須有直接接觸；４）沒(méi)有熱量形式之間的轉(zhuǎn)化。對(duì)流換熱的特點(diǎn)牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的基本計(jì)算式例子冬天房間溫度16℃

2、，朝外外墻0℃，墻厚50cm，面積12m2，導(dǎo)熱系數(shù)λ2.0W/m℃，求每小時(shí)通過(guò)該墻的散熱量解：散熱率為解：散熱量為h—當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。如何確定h及增強(qiáng)換熱的措施是對(duì)流換熱的核心問(wèn)題表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)流換熱系數(shù)）例子冬天房間內(nèi)的空氣溫度16℃，墻外空氣0℃，內(nèi)外空氣對(duì)流換熱系數(shù)8W/m2℃，墻厚50cm，面積12m2，導(dǎo)熱系數(shù)λ2.0W/m℃，求散熱率tair1ts1ts2tair2hλh散熱率為5.1.1影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素流體流動(dòng)的起因流體有無(wú)相變流體的流動(dòng)狀態(tài)換熱表面的幾何因素流體的

3、物理性質(zhì)5.1.1影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素1、流動(dòng)起因自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)（Freeconvection）強(qiáng)制對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)（Forcedconvection）2、流動(dòng)狀態(tài)層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（紊流）（Laminarflow）（Turbulentflow）3、流體有無(wú)相變單相換熱：相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化h單相

4、面的狀態(tài)（光滑或粗糙）。影響流體在壁面上的流態(tài)、速度分布、溫度分布。流體與壁的相對(duì)位置幾何布置對(duì)流動(dòng)的影響5、流體的熱物理性質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)密度比熱容動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度體脹系數(shù)單位溫升所引起的體積變化率流動(dòng)起因：強(qiáng)制對(duì)流換熱、自然對(duì)流換熱；流態(tài)：層流對(duì)流換熱與湍流對(duì)流換熱；流體與固體壁面的接觸方式：內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束；流體在換熱中是否發(fā)生相變：可分為單相流體對(duì)流換熱和相變對(duì)流換熱。5.1.2對(duì)流換熱現(xiàn)象的分類(lèi)對(duì)流換熱：導(dǎo)熱+熱對(duì)流；壁面+流動(dòng)5.1.4對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式當(dāng)粘性流體在壁面上流動(dòng)時(shí)，由于粘

5、性的作用在貼壁處被滯止，處于無(wú)滑移狀態(tài)（即：y=0,u=0）在這極薄的貼壁流體層中，熱量只能以導(dǎo)熱方式傳遞根據(jù)傅里葉定律：為貼壁處壁面法線方向上的流體的溫度變化率；為流體的導(dǎo)熱系數(shù)換熱微分方程式確定了對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體溫度場(chǎng)之間的關(guān)系。求解一個(gè)對(duì)流換熱問(wèn)題，獲得該問(wèn)題的對(duì)流換熱系數(shù)或交換的熱流量，就必須首先獲得流場(chǎng)的溫度分布。從熱平衡可知，通過(guò)壁面流體層傳導(dǎo)的熱流量最終是以對(duì)流換熱的方式傳遞到流體中去的，于是得到如下關(guān)系換熱微分方程式局部值（1）第一類(lèi)邊界條件：已知任一瞬間對(duì)流換熱過(guò)程邊界上的溫度值。（2）第二類(lèi)邊界條件：已知任一瞬間對(duì)

6、流換熱過(guò)程邊界上的熱流密度值。注意該式與導(dǎo)熱問(wèn)題的第三類(lèi)邊界條件是不同的注意邊界條件中的已知量溫度梯度或溫度場(chǎng)取決于流體熱物性、流動(dòng)狀況（層流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等?溫度場(chǎng)取決于流場(chǎng)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)由對(duì)流換熱微分方程組確定質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程能量守恒方程本節(jié)要求：掌握對(duì)流換熱問(wèn)題完整的數(shù)學(xué)描寫(xiě)：對(duì)流換熱微分方程組及定解條件；對(duì)流換熱微分方程組：連續(xù)性方程+動(dòng)量微分方程+能量微分方程；熟悉能量微分方程的推導(dǎo)方法及思路：對(duì)微元體應(yīng)用能量守恒定律和傅里葉導(dǎo)熱定律；掌握對(duì)流換熱微分方程組中各項(xiàng)的意義。5-2對(duì)流換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述為

7、便于分析，推導(dǎo)時(shí)作下列假設(shè)：流動(dòng)是二維的；流體為不可壓縮的牛頓型流體；流體物性為常數(shù)、無(wú)內(nèi)熱源；粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱可以忽略不計(jì)5.2.1運(yùn)動(dòng)流體能量方程的推導(dǎo)能量微分方程式描述流體溫度場(chǎng)——能量守恒導(dǎo)入的凈熱量＋對(duì)流傳遞的凈熱量＝總能量的增量對(duì)于二維不可壓縮常物性流體流場(chǎng)而言，微元體的能量平衡關(guān)系式為：1、以傳導(dǎo)方式進(jìn)入元體的凈熱流量單位時(shí)間內(nèi)、沿x軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、沿y軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量：內(nèi)導(dǎo)入的熱量：2、熱對(duì)流引起的凈熱量X向由熱對(duì)流帶入微元體的焓單位質(zhì)量流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的總能量X方向熱對(duì)流帶出微元體的焓是

8、常量，提到微分號(hào)外邊，變?yōu)閄方向熱對(duì)流引起的凈熱量y向熱對(duì)流引起的凈熱量熱對(duì)流引起的凈熱量連續(xù)性方程dτ時(shí)間內(nèi)對(duì)流引起的凈熱量為整理得二維、常物性、無(wú)