对流传热原理.ppt
第二部分 对流传热,第五章 对流传热的理论基础第六章 单相对流传热的实验关联式第七章 相变对流传热,第五章 对流传热原理,（Convection Heat Transfer）,5-1 对流换热概述5-2 对流传热微分方程组5-3 边界层型对流传热问题数学描述5-4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论,5-1 对流换热概述,一、对流换热的定义和机理,定义:流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。是宏观的热对流和微观的热传导的综合传热过程。,机理：既有热对流，也有导热，不是基本的热量传递方式。,对流传热实例：暖气管道;电子器件冷却；电风扇,5-1 对流换热概述,二、影响对流换热的因素,5-1 对流换热概述,对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：流动起因;流动状态;流体有无相变;换热表面的几何因素;流体的热物理性质。,(a)流动起因,自然对流：因流体各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。,强制对流：因外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动。,1883年,英国物理学家雷诺(Osbone Reynolds):,(b)流动状态,5-1 对流换热概述,实验现象:,层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。,湍流(紊流)：流体质点做复杂无规则的运动。,（Laminar flow）,（Turbulent flow）,紊流流动极为普遍。收获季节的麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬以及袅袅炊烟都是由空气的紊流引起的。,5-1 对流换热概述,(c)流体有无相变,单相换热：,相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固等,（Single phase heat transfer）,5-1 对流换热概述,(d)壁面的几何形状、大小和位置,内部流动对流换热：管内或槽内,外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,5-1 对流换热概述,外部流动,（a）强迫对流,热面朝下,（b）自然对流,热面朝上,内部流动,(e)流体的热物理性质,流体内部和流体与壁面间导热热阻小,阻碍流体流动，不利于热对流,自然对流换热增强,可以携带更多的热量,5-1 对流换热概述,综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：,5-1 对流换热概述,5-1 对流换热概述,分析解法：采用数学分析求解的方法，有指导意义。比拟法：通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多，范围很小。实验法：通过大量实验获得表面传热系数的计算公式，是目前的主要途径。数值解法：和导热问题数值思想一样，发展迅速，应用越来越多。,四、研究对流换热的方法,5-1 对流换热概述,当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0,u=0）在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。,五、表面传热系数与温度场的关系,5-1 对流换热概述,根据傅里叶定律：,根据牛顿冷却公式：,对流换热微分方程：,它揭示了对流换热问题的本质,5-1 对流换热概述,例1：温度为80的平板置于来流温度为20的气流中假设平板表面中某点在垂直于壁面方向的温度梯度为40/mm，试确定该处的热流密度。,5-2 对流传热问题的数学描述,一、描述对流换热的方程组,温度场,特别是壁面附近的温度分布,温度场 受流场的影响,流场,连续性方程 质量守恒定律,动量方程 动量守恒定律,温度场能量方程 能量守恒定律,对流换热微分方程式,动量守恒方程:,能量守恒方程:,质量守恒方程:,二、二维、常物性、不可压流体对流换热问题数学描述,5-2 对流传热问题的数学描述,对流换热微分方程:,4个方程，4个未知量 可求得速度场(u,v)、温度场(t)及压力场(p)，既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）,三、流体中的能量方程与纯导热微分方程的区别,二维、常物性、无内热源的能量微分方程:,非稳态项,对流项,扩散项,5-2 对流传热问题的数学描述,与纯导热相比增加了对流项,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,普朗特（1875-1953）：德国力学家，现代流体力学的创始人之一，被誉为“空气动力学之父”。普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论。,我国著名流体力学家、力学教育家陆士嘉曾从师于普朗特，钱学森在美国加州理工学院的导师冯.卡门也是普朗特的学生。,边界层理论被广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去，极大地促进了空气动力学的发展。,一、流动边界层,一、流动边界层,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,1.定义：当流体流过固体壁面时,由于流体粘性的作用,使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层或速度边界层。,2.速度边界层厚度 的规定：速度等于99%主流速度。,如：20空气在平板上以16m/s 的速度流动，在1m处边界层的厚度约为5mm。,3.特点：边界层厚度是比壁面尺度l 小一个数量级以上的小量。l,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,cm,cm,空气沿平板流动时边界层厚度变化的情况,4.边界层内的流动状态：也有层流和湍流之分。,对于外掠平板的流动，临界雷诺数一般取,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,5.引入速度边界层的意义：流动区域可分为主流区和边界层区，主流区速度梯度为0，=0，可看作无粘性理想流体，而边界层区流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运动微分方程组描述（N-S方程）。,x,l,x,y,0,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,二、温度边界层（热边界层）,1.定义：在对流换热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的薄层 称为温度边界层或热边界层。,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,2.温度边界层厚度t的规定：过余温度等于99%主流区流体的过余温度。,3.特点：温度边界层厚度t也是比壁面尺度l 小一个数量级以上的小量。t l4.引入边界层的意义：温度场也可分为主流区和边界层区，主流区流体中的温度变化可看作零，因此，只需要确定边界层区内的流体温度分布。,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,三、边界层微分方程组,边界层微分方程组是指对边界层区域的数学描述，它是在完整的数学描述基础上根据边界层的特点简化而得到的。简化可采用数量级分析的方法。,数量级分析：比较方程中各量或各项数量级的相对大小；保留量级较大的量或项；舍去那些量级小的项，使方程大大简化。,以稳定的二维、常物性、不可压流体的对流换热问题为例，对其微分方程组进行数量级分析简化。,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,5个基本量的数量级：,边界层厚度：,0(1)、0()表示数量级为1和，1。“”“相当于”,特征长度：,温度：,主流速度：,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,连续性方程：,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,能量微分方程：,数量级,=,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,动量微分方程：,在边界层内，粘滞力与惯性力数量级相同,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,边界层内任一截面压力p与y无关，即p=p(x),表明：边界层内的压力梯度仅沿x方向变化，而边界层内法向压力梯度极小。,主流压力：,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,于是得到流体平行流过平板边界层换热微分方程组:,质量守恒方程：,动量守恒方程：,能量守恒方程：,区别：方程个数减少了一个；动量方程和能量方程中x方向的二阶导数项略去了。,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,四、普朗特数的物理意义,忽略重力场，压力梯度为零时，与 t 之间的关系：,能量守恒方程:,动量守恒方程：,动量传递与热量传递规律相似。,Pr反映流体的动量扩散能力与其热量扩散能力的对比关系，也表示流动边界层和温度边界层的相对厚度。,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,当Pr=1时，动量方程与能量方程完全相同，=t;,当Pr1时，Pr=/a，a，粘性扩散热量扩散，速度边界层厚度温度边界层厚度；,当Pr1时，Pr=/a，a，粘性扩散热量扩散，速度边界层厚度温度边界层厚度。,t,T,u,（b）Pr1,（a）Pr1,t,T,u,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,根据普朗特数的大小，一般流体可分为三类：（1）高普朗特数流体，如一些油类的流体，在102103的量级；（2）中等普朗特数的流体,0.710之间，如气体在0.71.0,水为0.910；（3）低普朗特数的流体,如液态金属等，在0.01的量级。,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,（1）上述边界层概念及分析是以沿平板的无界外部流动为例进行介绍的，内部流动的边界层情况将有很大的变化，后面会介绍；（2）在平板前缘很短的一段距离内，边界层理论不适用；（3）若出现边界层脱体，或发生回流情况，边界层的特性也将改变；（4）对于高普朗特数的油类和低普朗特数的液态金属，边界层的分析也不适用。,五、应用边界层概念应注意的问题,5-3 边界层型对流传热问题数学描述,知识总结：,一、对流换热的定义及影响因素,流动起因;流动状态;流体有无相变;换热表面的几何因素;流体的热物理性质。,二、对流换热微分方程,温度场,温度场 受流场的影响 速度场、温度场、压力场 动量、质量、热量守恒方程 方程组过于复杂，引入边界层概念简化 最终目的：能够通过简化方程得到分析解、分析温度场影响因素,
