第6章对流换热解读
合集下载
对流换热定义
对流换热定义对流换热是指在流体中，由于温度差异而引起的热量传递现象。
在自然界中，对流换热是非常常见的现象，例如太阳辐射地球表面，地表受热后会产生对流现象，形成风。
在工业生产中，对流换热也是非常重要的一种热传递方式。
对流换热的基本原理是热量从高温区域向低温区域传递，这个过程中，流体会发生密度变化，从而产生对流现象。
对流换热的传热速率与流体的流速、流体的物理性质、流体的温度差等因素有关。
对流换热可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于温度差异引起的流体自然运动，例如太阳辐射地球表面，地表受热后会产生对流现象，形成风。
强制对流是指通过外力作用使流体产生运动，例如在工业生产中，通过泵等设备将流体强制循环，从而产生对流现象。
对流换热在工业生产中有着广泛的应用。
例如在化工生产中，对流换热器是非常重要的设备之一。
对流换热器可以将高温的流体通过管道传递到低温的流体中，从而实现热量的传递。
对流换热器的传热效率与其结构设计、流体的流速、流体的物理性质等因素有关。
在对流换热器的设计中，需要考虑到流体的流速和流体的物理性质。
流速越大，对流换热的传热速率越快，但是流速过大会导致流体的压力损失增大，从而影响对流换热器的效率。
流体的物理性质也会影响对流换热器的传热效率，例如流体的热导率、比热容等因素都会影响对流换热器的传热效率。
除了对流换热器，对流换热在其他领域也有着广泛的应用。
例如在空调系统中，通过空气的对流换热来实现室内温度的调节。
在汽车发动机中，通过水循环来实现对发动机的冷却，从而保证发动机的正常运转。
对流换热是一种非常重要的热传递方式，广泛应用于工业生产、空调系统、汽车发动机等领域。
在对流换热的应用中，需要考虑到流体的流速、流体的物理性质等因素，从而实现对流换热的最佳效果。
第六章 单相流体对流换热
2
2.流动充分发展段层流和湍流的判断 • 层流： Re 2300 • • 过渡区：
2300 Re 10000
旺盛湍流： 10000 Re
3
3. 热入口段和充分发展段的判断（表面传热系数的变化）
（定壁温）充分发展段为层流或湍流的热入口段长度:
l / d 0.05 Re Pr
l / d 60
6 2
Pr f 3.54, , f 64.8 102 W /( m C ); 以t w 90C 查 w 314.9 106 kg /( m s )
Re f uf d 2 0.12 4 43.1655 10 6 0.556 10
M=0.0417kg/s,管长2.6m,空气进口温度
tf ’=30,管壁温度保持tw=250，试计算该换 热器的表面传热系数。（讨论）
32
第二节 流体横向绕流管束的换热
一、流体横向绕流单管（或柱）时的对 流换热计算
二、流体横向绕流管束的对流换热计算
33
一、流体横向绕流单管（或柱）流动时 的对流换热计算
24
Nu f
由管内流体的能量平衡可得
hA(tw t f ) qmc pf (t f tf )
1 2 h dL( t w t f ) d f u f c pf (t f tf ) 4
8596 20 10 3 (40
23
水被加热，取 m 0.4
Nu f 0.023 Re Pr
0.8 f
0.4 f 4 0.8 0.4
0.023 (4.97 10 ) (0.702)
h
287
f
传热学第六章对流换热
6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体
u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界
第6章-对流换热1
度。
五、流动边界层
3. 定义 这一薄层称为流动边界层（速度 边界层），通常规定： u 0.99u （主 流速度）处的距离 y 为流动边界层厚 度，记为 。
五、流动边界层
4. 数量级 流动边界层很薄，如空气，
以 u 16 m / s 掠过平板，在离平板前
缘 1 m 处的边界层厚度约为 5 mm 。
6.3 对流换热问题的数学描述
一、能量微分方程
t U c pdxdy d 2 2 t t Q导热 2 dxdyd＋ 2 dxdyd x y t t 能量守恒方程 Q对流 c p u v dxdyd y x
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
Q导热 + Q对流 = U热力学能
t t Q导热 2 dxdyd＋ 2 dxdyd x y
2 2
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
" Qx
c ptu dy d
(c)
" " Qx Qx dx
" " " Qx Qx (ut ) " Qx Qx dx dx c p dxdyd x x x
W (m 2 C)
(6 2)
五、流动边界层
层流 过渡流 湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
五、流动边界层
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
（ y 向）的速度分布，如上图所示。 在 y 0 处， u 0 ；此后随 y ，
u 。 经过一个薄层后 u 接近主流速
五、流动边界层
五、流动边界层
3. 定义 这一薄层称为流动边界层（速度 边界层），通常规定： u 0.99u （主 流速度）处的距离 y 为流动边界层厚 度，记为 。
五、流动边界层
4. 数量级 流动边界层很薄，如空气，
以 u 16 m / s 掠过平板，在离平板前
缘 1 m 处的边界层厚度约为 5 mm 。
6.3 对流换热问题的数学描述
一、能量微分方程
t U c pdxdy d 2 2 t t Q导热 2 dxdyd＋ 2 dxdyd x y t t 能量守恒方程 Q对流 c p u v dxdyd y x
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
Q导热 + Q对流 = U热力学能
t t Q导热 2 dxdyd＋ 2 dxdyd x y
2 2
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
" Qx
c ptu dy d
(c)
" " Qx Qx dx
" " " Qx Qx (ut ) " Qx Qx dx dx c p dxdyd x x x
W (m 2 C)
(6 2)
五、流动边界层
层流 过渡流 湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
五、流动边界层
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
（ y 向）的速度分布，如上图所示。 在 y 0 处， u 0 ；此后随 y ，
u 。 经过一个薄层后 u 接近主流速
五、流动边界层
传热学第六章
定性温度： Prw的定性温度为tw，其它物性的定性温度为t.。 式中C和.m的数值列于下表。
第六章 单相对流传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联式
外掠平板流动
内部流动
6-3 内部强制对流换热实验关联式
6.3.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点 1.两种流态
6.3.1.管槽内强制对流流动与换热的特点 2. 入口段与充分发展段
流动进口段与充分发展段
管内等温层流流动充分发展段具有以下特征： (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；
6-2
可见，对于圆形管道，边界条件不同，对流换热强度也不同：
qw = 常数，Nu = 4.36，tw = 常数，Nu = 3.66。
6.3.3 管内层流强制对流换热关联式
对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于 短管，进口段的影响不能忽略，可用齐德－泰特关系式 计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：
在计算弯管内的对流换热时， 应在直管基础上加乘弯管修正因
子c R 。
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
对上述公式的几点说明：
1）上述公式都属于经验公式，当采用公式进行对流换热计算 时，要注意每个公式的使用条件；
2）在对流换热的研究中，曾经提出过数以十计的关联式，以 上几个公式只是有代表性的几个；
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对 流换热问题的可靠方法。 相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
6-1 相似原理与量纲分析
6-1 相似原理与量纲分析
6.1.1物理现象相似的定义
第六章 单相对流传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联式
外掠平板流动
内部流动
6-3 内部强制对流换热实验关联式
6.3.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点 1.两种流态
6.3.1.管槽内强制对流流动与换热的特点 2. 入口段与充分发展段
流动进口段与充分发展段
管内等温层流流动充分发展段具有以下特征： (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；
6-2
可见，对于圆形管道，边界条件不同，对流换热强度也不同：
qw = 常数，Nu = 4.36，tw = 常数，Nu = 3.66。
6.3.3 管内层流强制对流换热关联式
对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于 短管，进口段的影响不能忽略，可用齐德－泰特关系式 计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：
在计算弯管内的对流换热时， 应在直管基础上加乘弯管修正因
子c R 。
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
对上述公式的几点说明：
1）上述公式都属于经验公式，当采用公式进行对流换热计算 时，要注意每个公式的使用条件；
2）在对流换热的研究中，曾经提出过数以十计的关联式，以 上几个公式只是有代表性的几个；
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对 流换热问题的可靠方法。 相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
6-1 相似原理与量纲分析
6-1 相似原理与量纲分析
6.1.1物理现象相似的定义
第6章-单相流体对流换热
过渡区： 旺盛紊流：
Re 2300
2300 Re 10
4
Re 10
4
与外掠平板（板流）相比，
管内流动（管流）出现4个新的特征：
1. 进（入）口段、充分发展段； 2. 管内流体平均速度、平均温度； 3. 物性场的不均匀性 4. 几何特征
外掠平板边界层
1. 进（入）口段、充分发展段
Pr = 1
实验验证范围： Re 3.6 103 ～ 9.05 105 , f 均匀tw 边界 实验验证范围：
Nuf 5.0 0.025Pef
Pef 100
0.8
定性温度——流体平均温度，特征长度——din
Ref Prf f 管子很 ，且 l / d w 3. 层流 层流充分发展段对流换热的分析解结果很多。
第六章 单相流体换热分析
Convection of Single Phase Fluid
主要内容
单相流体对流换热（自由运动、强制对流）
§6-1 §6-2 §6-3
管内受迫对流换热 外掠圆管对流换热 自然对流换热
§6-1 管内受迫对流换热（管流）
一、一般分析
有层流、紊流之分
层流：
0.45
Tf 0.6 Prf 1.5,0.5 1.5,2300 Ref 104 Tw
液体
Nu f 0.012 (Ref
0.87
280) Prf
0.4
d 2 / 3 Prf 1 ( ) l Pr w
0.11
Prf 1.5 Prf 500,0.05 20, 2300 Ref 104 Prw
Re 2300
2300 Re 10
4
Re 10
4
与外掠平板（板流）相比，
管内流动（管流）出现4个新的特征：
1. 进（入）口段、充分发展段； 2. 管内流体平均速度、平均温度； 3. 物性场的不均匀性 4. 几何特征
外掠平板边界层
1. 进（入）口段、充分发展段
Pr = 1
实验验证范围： Re 3.6 103 ～ 9.05 105 , f 均匀tw 边界 实验验证范围：
Nuf 5.0 0.025Pef
Pef 100
0.8
定性温度——流体平均温度，特征长度——din
Ref Prf f 管子很 ，且 l / d w 3. 层流 层流充分发展段对流换热的分析解结果很多。
第六章 单相流体换热分析
Convection of Single Phase Fluid
主要内容
单相流体对流换热（自由运动、强制对流）
§6-1 §6-2 §6-3
管内受迫对流换热 外掠圆管对流换热 自然对流换热
§6-1 管内受迫对流换热（管流）
一、一般分析
有层流、紊流之分
层流：
0.45
Tf 0.6 Prf 1.5,0.5 1.5,2300 Ref 104 Tw
液体
Nu f 0.012 (Ref
0.87
280) Prf
0.4
d 2 / 3 Prf 1 ( ) l Pr w
0.11
Prf 1.5 Prf 500,0.05 20, 2300 Ref 104 Prw
高等传热学课件对流换热-第6章-1
第六章高速流动对流换热在前面几章介绍的强制对流换热中，我们假设速度和速度梯度充分小，以致动能和粘性耗散的影响可以忽略不计。
现在考虑高速和粘性耗散的影响。
我们主要介绍有更多重要应用的外部边界层。
6.1 高速流对流换热基本概念高速对流主要涉及以下两类现象：z从机械能向热能的转换，导致流体中的温度发生变化；z由于温度变化使流体的物性发生变化。
空气一类气体若具有极高的速度，将会导致超高温离解、质量浓度梯度，并因此发生质量扩散，使问题变得更加复杂。
这里仅限于关注未发生化学反应的边界层；对空气来说，这意味着我们将不考虑温度超过2000K或者马赫数高于5的情况。
对液体，如果普朗特数足够高的话，粘性耗散实际上在中等速度时就具有很可观的作用。
我们的讨论仅限于普朗特数接近于1的气体。
有关高速对流的研究大都涉及对机械能转换和流体物性随温度变化两个因素的总体考虑，很难看到它们单独的影响。
这里，我们暂不考虑变物性的影响，首先讨论能量转换问题。
能量转换过程能可逆地发生，也能不可逆地发生。
比如，在边界层内，激波与粘性的相互作用使得机械能与热能间的不可逆转换增大，无粘性的速度变化（比如在接近亚音速滞止点附近流体的减速）则产生可逆的，或者非常接近可逆的能量转换。
高速边界层滞止点的比较能很好地说明这两种情况的明显区别。
z在滞止点（图6-1）处速度降低，边界层以外的压力和温度提高。
对于亚音速流动，该过程几乎是等熵的，流体粘度不起什么作用。
无论减速可逆还是不可逆，滞止区边界层以外的流体温度等于滞止温度，也就是说，流体温升来自于绝热减速：（6.1.1） 若不考虑变物性影响，并用*T ∞代替T ∞，低速滞止点的解也能适用于高速滞止点问题： w w ()q h T T ∗∞=− （6.1.2）z 但高速边界层问题有所不同。
如果自由速度很高，边界层以内速度梯度很大，边界层内因粘性切应力产生粘性耗散。
如果物体是绝热的，那么耗散产生的热量可以靠分子或者涡漩传导的机理，从靠近表面的向边界层外传递出去，如图6-2所示。
对流换热---讲义
二、能量方程的推导.
t t dx 2 dy y y
2
c p v
v t dy t dy dx y y
u t dx t dx dy x x
y
ucptdy
2.按有无相变分
相变换热:传热过程中有相变发生.
物质有三态,固态,液态,气态，称三相. 相变换热又分为: 沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时 发生的换热. 凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为液态 时发生的换热. 熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热（sublimation heat transfer ）
微元控制体
t dy x
c p u
O
x
t 2t dy dx x X 2
dx
t y
vcptdx
利用热力学第一定律有
导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增
2t 在x方向上导入的净热量有： 2 dxdy x
或对于面积为A的接触面
hAtm
其中t 为换热面积A上的平均温差.约定q 及 总是取正值,因 此t及tm也要求取正值.
一.对流换热的分类
1.按动力分
①强制对流(forced convection):由于泵,风机,或压差等流体本 身以外的动力产生的流动换热. ②自然对流(natural convection):由于流体的密度差等流体本 身的因素产生的流体流动换热. ③混合对流(mixed convection):自然对流和强制流动换热并存.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
70-9
例2：流体外掠平板对流换热边界层温度场相似问题
温度沿 x、y 方向变化
如果在空间对应点上： 几何相似倍数
' x1 " x1
' x2 " x2
' x3 " x3
....
' xn " xn
Cl ;
' y1 " y1
' y2 " y2
' y3 " y3
....
' yn " yn
Cl
过余温度成正比：
' ' ' 3 n 1' 2 " " .... " C " 1 2 3 n
称这两个温度场相10
例3：非稳态温度场相似问题 两个传热现象的温度随时间变化
如果在时间对应瞬间、空间对 应点上： 时间相 似倍数
注：各影响因素彼此不是孤立的，它们之间存在着由 对流换热微分方程组所规定的关系 故：各相似倍数之间也必定有特定的制约关系，它们 的值不是随意的
2019/1/29 70-12
只有属于同一类型的物理现象才有相似的可能性，也 才能谈相似问题 同类现象：用相同形式和内容的微分方程式（控制方 程+单值性条件方程）所描述的现象 电场与温度场： 微分方程相同；内容不同
几何相 似倍数
70-6
a ' b' c ' h' Cl' a" b" c" h"
整理，得：
a ' b' c ' h' Cl" a" ' b" ' c" ' h" '
b' b" b'" c' c" c'" LA ; LB a' a" a'" a' a" a'"
2019/1/29
70-5
一、物理现象相似的定义
1、几何相似 彼此几何相似的三角形，对应边成比例
若(1)、(2)相似： 若(1)、(3)相似：
2019/1/29
a ' b' c ' h' Cl' a" b" c" h"
a ' b' c ' h' Cl" a" ' b" ' c" ' h" '
2019/1/29 70-11
' x3
' xn
若两个对流换热现象相似，它们的温度场、速度场、 粘度场、热导率场、壁面几何因素等都应分别相似
即：在对应瞬间、对应点上各物理量分别成比例
' x' y ' z ' ' C ; Cl ; C ; " x" y" z" "
u ' v' ' ' Cu ; C ; C ; ........ u" v" " "
2019/1/29
70-14
二、相似原理的基本内容
1、相似物理现象间的重要特征：同名相似特征数相等 相似性质：彼此相似的现象，它们的同名相似特征数 相等 证明：外掠平板、二维、稳态、强制层流换热； 物性为常量、无内热源 假设：有两个外 掠平板的对流换 热现象相似
强制对流换热与自然对流换热： 微分方程的形式和内容都有差异
外掠平板和外掠圆管：控制方程相同；单值性条件不同
2019/1/29
70-13
物理相似：影响物理现象的所有物理量分别相似的总和 就构成了物理相似 1）必须是同类现象才有可能相似 2）由于描述现象的微分方程式的制约，物理量场的相 似倍数间有特定的制约关系 3）注意物理量的时间性和空间性
LA、LB是无量纲的
—— 几何相似特征数
2019/1/29
—— 几何相似准则
70-8
2、物理现象相似 例1：流体在圆管内稳态流动时速度场相似问题 圆管半径分别为R’、R” ，速度 沿 x、r 方向变化 如果在空间对应点上：
' x1 " x1
' x2 " x2
' x3 " x3
.... ....
' ' ' 3 1 2 ' " " .... " Cl ; " " " .... " C " x1 x2 x3 xn 1 2 3 ' x1 ' x2
' ' ' ' 3 n 1 2 过余温度成正比： .... C " " " " 1 2 3 n 温度场相似倍数 称这两个非稳态温度场相似
h f (v, t w , t f , , c p , , , , l , Ω)
— 相似理论指导下的实验研究
2019/1/29 70-4
在实物或模型上进行对流换热实验研究时，因变量太 多，会遇到三个问题： （1）实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测） （2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系） （3）实验结果如何推广运用于实际现象 相似原理将回答上述三个问题 相似原理：相似的性质、相似准则间的关系、判别相 似的条件
第6章 单相对流传热的实验关联式
2019/1/29
70-1
§6-1 相似原理及量纲分析
2019/1/29
70-2
表面传热系数是众多因素的函数：
h f (v, t w , t f , , c p , , , , l , Ω)
由于受影响因素众多，导致实验次数极 大，因此要考虑如何减少实验量且又能满足 实验要求获得通用性规律。
l' l
"
Cl Cl
r1' r1"
r2'
" r2
r3'
" r3
几何相 R ' 似倍数
速度成正比：
2019/1/29
' ' ' u3 umax um u1' u2 " " .... " " Cu " u1 u2 u3 umax um
速度场相 ' 似倍数
R
"
称这两圆管内速度场相似
2019/1/29
70-3
实验研究是传热学研究中的主要和可靠手段； 尤其是复杂的传热学问题 尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值 模拟和数学模型正确与否的唯一方法 问题：如何进行实验研究？ 表面传热系数是众多因素的函数；有些影响因素相互 制约和影响（如：温度与热物性）；如果采取逐个研 究各变量的影响，实验工作量极为庞大、也极难进行
即：两三角形相似时，不仅各对应边成比例，而且它 们的 LA、LB 数值必定相等
2019/1/29 70-7
可以论证：若两个 三角形具备相同的
LA b' b" a' a"
c' c" LB a' a"
那么它们必定相似！ LA、LB分别相等表达了三角形相似的充分和必要条件 LA、LB有判断两三角形是否相似的作用