第4章-對流換熱原理.ppt

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1、§4-1對流換熱概述§4-2層流流動(dòng)換熱的微分方程組§4-3對流換熱過程的相似理論§4-4邊界層理論第四章對流換熱原理8/18/20211§4-1對流換熱概述1對流換熱過程對流換熱定義：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。復(fù)習(xí)對流換熱的特點(diǎn)：（1）導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程。（2）必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差。8/18/202122對流換熱的分類對流換熱：導(dǎo)熱+熱對流；壁面+流動(dòng)①流動(dòng)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(dòng)（Freeconvection）強(qiáng)制對

2、流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)（Forcedconvection）8/18/202138/18/20214②流動(dòng)狀態(tài)層流：整個(gè)流場呈一簇互相平行的流線湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)紊流流動(dòng)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(yáng)，以及裊裊炊煙都是由空氣的紊流引起的。8/18/202158/18/20216③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流體與固體壁面的接觸方式內(nèi)部流動(dòng)對流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對流換熱：外掠平板、圓管、管束⑤流體運(yùn)動(dòng)是否與時(shí)間相關(guān)非穩(wěn)態(tài)對流換熱：與時(shí)間有關(guān)穩(wěn)態(tài)對流換熱：與時(shí)間無關(guān)

3、8/18/20217管內(nèi)沸騰對流換熱有相變無相變強(qiáng)制對流內(nèi)部流動(dòng)圓管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱其它形狀管道的對流換熱外部流動(dòng)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)8/18/202183對流換熱系數(shù)與對流換熱微分方程①對流換熱特征：以簡單的對流換熱過程為例，對對流換熱過程的特征進(jìn)行粗略的分析。圖表示一個(gè)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(gè)溫度為tw的固體壁面。選取流體沿壁面流動(dòng)的方向?yàn)閤坐標(biāo)、垂直壁面方向?yàn)閥坐標(biāo)。

4、8/18/20219Whenthefluidmoleculesmakecontactwithsolidsurface,whatdoyouexpecttohappen?yt∞u∞twqwx8/18/202110壁面對流體分子的吸附作用，使得壁面上的流體總是處于不滑移的狀態(tài)（此論點(diǎn)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。8/18/202111同時(shí)，通過固體壁面的熱流也會(huì)在流體分子的作用下向流體擴(kuò)散(熱傳導(dǎo))，并不斷地被流體的流動(dòng)而帶到下游（熱對流），也

5、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∞twqwx8/18/202112——當(dāng)流體與壁面溫度相差1℃時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量.②對流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))確定h及增強(qiáng)換熱的措施是對流換熱的核心問題。8/18/202113③對流換熱微分方程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8/18/202114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

6、的溫度梯度。溫度梯度或溫度場與流速、流態(tài)、流動(dòng)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(dòng)量方程、能量方程8/18/2021154-2層流流動(dòng)換熱的微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，無內(nèi)熱源。8/18/2021164個(gè)未知量：速度u、v；溫度t；壓力p需要4個(gè)方程:連續(xù)性方程（1）;動(dòng)量方程（2）;能量方程（1）1連續(xù)性方程流體的連續(xù)流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒規(guī)律。

7、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方向上的流體流速為v。M為質(zhì)量流量[kg/s]單位時(shí)間流進(jìn)和流出微元體的質(zhì)量流量之差=微元體質(zhì)量隨時(shí)間的變化率8/18/2021178/18/2021188/18/202119單位時(shí)間內(nèi)流入微元體的凈質(zhì)量=微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化。單位時(shí)間內(nèi)、沿x軸方向流入微元體的凈質(zhì)量：8/18/202120單位時(shí)間內(nèi)、沿y軸方向流入微元體的凈質(zhì)量：單位時(shí)間內(nèi)微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化:8/18/202121單位時(shí)間：流入微元體的凈質(zhì)量=微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化連續(xù)性方程：對于二維、穩(wěn)態(tài)、常