傳熱學(xué)第四章對流換熱原理

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1、2021/7/231§4-1對流換熱概述§4-2層流流動換熱的微分方程組§4-3對流換熱過程的相似理論§4-4邊界層理論§4-5紊流流動換熱第四章對流換熱原理2021/7/2322021/7/2332021/7/234§4-1對流換熱概述1對流換熱過程①對流換熱定義：流體和與之接觸的固體壁面之間的熱量傳遞過程，是宏觀的熱對流與微觀的熱傳導(dǎo)的綜合傳熱過程。對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式對流換熱實例：1)暖氣管道;2)電子器件冷卻2021/7/235②對流換熱的特點：(1)流體的宏觀運動+微觀的導(dǎo)熱(2)流動與換熱密不可分(3)對流換熱的機理與通過緊靠換熱面的

2、薄膜層的熱傳導(dǎo)有關(guān)③特征：以簡單的對流換熱過程為例，對對流換熱過程的特征進行粗略的分析。2021/7/236圖表示一個簡單的對流換熱過程。流體以來流速度u?和來流溫度t?流過一個溫度為tw的固體壁面。選取流體沿壁面流動的方向為x坐標(biāo)、垂直壁面方向為y坐標(biāo)。yt∞u∞twqwxWhenthefluidmoleculesmakecontactwithsolidsurface,whatdoyouexpecttohappen?2021/7/2371.theywillreboundoffthesolidsurface2.theywillbeabsorbedintothesolidsurface3

3、.theywilladheretothesolidsurface2021/7/238壁面對流體分子的吸附作用，使得壁面上的流體是處于不滑移的狀態(tài)（此論點對于極為稀薄的流體是不適用的）。yt∞u∞twqwx又由于粘性力的作用，使流體速度在垂直于壁面的方向上發(fā)生改變。流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。2021/7/239同時，通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴散(熱傳導(dǎo))，并不斷地被流體的流動而帶到下游（熱對流），也導(dǎo)致緊靠壁面處的流體溫度逐步從壁面溫度變化到來流溫度。yt∞u∞twqwx2021/7/23102對流換熱的分類對流換熱：導(dǎo)熱+熱對流；壁面+流動

4、①流動起因自然對流：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（Freeconvection）強制對流：由外力（如：泵、風(fēng)機、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動（Forcedconvection）2021/7/23112021/7/2312②流動狀態(tài)層流：整個流場呈一簇互相平行的流線（Laminarflow）湍流：流體質(zhì)點做復(fù)雜無規(guī)則的運動（Turbulentflow）紊流流動極為普遍自然現(xiàn)象：收獲季節(jié)的麥浪滾滾，旗幟在微風(fēng)中輕輕飄揚，以及裊裊炊煙都是由空氣的紊流引起的。2021/7/23132021/7/2314③流體有無相變單相換熱相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化④流體與固體壁面

5、的接觸方式內(nèi)部流動對流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動對流換熱：外掠平板、圓管、管束⑤流體運動是否與時間相關(guān)非穩(wěn)態(tài)對流換熱：與時間有關(guān)穩(wěn)態(tài)對流換熱：與時間無關(guān)2021/7/2315管內(nèi)沸騰對流換熱有相變無相變強制對流內(nèi)部流動圓管內(nèi)強制對流換熱其它形狀管道的對流換熱外部流動外掠單根圓管的對流換熱外掠圓管管束的對流換熱外掠平板的對流換熱外掠其它截面柱體的換熱射流沖擊換熱自然對流大空間自然對流有限空間自然對流混合對流沸騰換熱凝結(jié)換熱大空間沸騰管內(nèi)凝結(jié)管外凝結(jié)2021/7/23163對流換熱系數(shù)與對流換熱微分方程——當(dāng)流體與壁面溫度相差1℃時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量.①對流換熱系數(shù)(

6、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))確定h及增強換熱的措施是對流換熱的核心問題.2021/7/2317②對流換熱過程微分方程式壁面上的流體分子層由于受到固體壁面的吸附是處于不滑移的狀態(tài)，其流速應(yīng)為零，那么通過它的熱流量只能依靠導(dǎo)熱的方式傳遞。yt∞u∞twqwx由傅里葉定律通過壁面流體層傳導(dǎo)的熱流量最終是以對流換熱的方式傳遞到流體中2021/7/2318或?qū)α鲹Q熱過程微分方程式h取決于流體熱導(dǎo)率、溫度差和貼壁流體的溫度梯度溫度梯度或溫度場與流速、流態(tài)、流動起因、換熱面的幾何因素、流體物性均有關(guān)。速度場和溫度場由對流換熱微分方程組確定：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程2021/7/23194-2層流流動換熱的微

7、分方程組為便于分析，只限于分析二維對流換熱假設(shè)：a)流體為不可壓縮的牛頓型流體，（即：服從牛頓粘性定律的流體；而油漆、泥漿等不遵守該定律，稱非牛頓型流體）b)所有物性參數(shù)（?、cp、?、?）為常量2021/7/23204個未知量：速度u、v；溫度t；壓力p需要4個方程:連續(xù)性方程（1）;動量方程（2）;能量方程（1）1連續(xù)性方程流體的連續(xù)流動遵循質(zhì)量守恒規(guī)律。從流場中(x,y)處取出邊長為dx、dy的微元體，并設(shè)定x方向的流體流速為u，而y方向