对流换热-1PPT课件
合集下载
《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件
4个方程,4个未知数(h,u,v,t)， 理论上存在唯一解， 可通过数学方法进行求解
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 工程应用背景
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
热对流 对流换热：
计算关系式
Φ hAtw tf
Φ hAtf tw
本章的主要任务：确定 h 的具体表达式
——请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都 曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！
第二节：对流换热问题的数学描写—对流换热微分方程组
二维、常物性、不可压、稳态
u v 0 x y
u
u x
v
u y
Fx
1
p x
2u x 2
2u y 2
u
v x
v
v y
Fy
1
p y
2v x 2
2v y 2
u
t x
v
t y
a
2t x 2
2t y 2
t
h tw t y w
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 求h主要有以下基本途径：
Φ h At w t f
h
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
影响对流换热的基本因素： 流动因素、几何因素和物性参数 流动因素 a 流动起因 自然对流(Natural Convection)—— 强迫对流(Forced Convection)—— b 流动状态 层流(Laminar Flow)—— 紊流(Turbulent Flow)—— c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer)
第一节：概述 工程应用背景
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
热对流 对流换热：
计算关系式
Φ hAtw tf
Φ hAtf tw
本章的主要任务：确定 h 的具体表达式
——请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都 曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！
第二节：对流换热问题的数学描写—对流换热微分方程组
二维、常物性、不可压、稳态
u v 0 x y
u
u x
v
u y
Fx
1
p x
2u x 2
2u y 2
u
v x
v
v y
Fy
1
p y
2v x 2
2v y 2
u
t x
v
t y
a
2t x 2
2t y 2
t
h tw t y w
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 求h主要有以下基本途径：
Φ h At w t f
h
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
影响对流换热的基本因素： 流动因素、几何因素和物性参数 流动因素 a 流动起因 自然对流(Natural Convection)—— 强迫对流(Forced Convection)—— b 流动状态 层流(Laminar Flow)—— 紊流(Turbulent Flow)—— c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer)
传热学(第9章--对流换热)
— —
横向节距 纵向节距
23
9-3 流体有相变时的对流换热
一、凝结换热
1.特点：
——蒸汽和低于饱和温度的冷壁面相接触时会发 生凝结换热，放出凝结潜热。（如电厂中：凝汽 器和回热加热器内，管外蒸汽与管外壁的换热）
➢两种凝结方式：根据凝结液体依附在壁面上的形
态不同分.
tw ts
1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，
腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。
34
炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化
35
各种对流换热比较
液体对流换热比气体强；
对同一种流体，强制对流换热比自然对流换热强；
紊流换热比层流换热强；横向冲刷比纵向冲刷强；
有相变的对流换热比无相变换热强。
表9-5 各种对流换热平均换热系数的大致范围
换热系数 α[w/(m2.K)]
二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改 性处理，能在实验室条件下实现连续的珠状凝结，但在工 业换热器上应用，尚待时日。
26
2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素：
（1）蒸汽中含有不凝结气体的影响 ➢ 蒸汽中含有不凝结气体（如空气）时，即使含量极微，
也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在 液膜外侧聚集而形成一层气膜，使热阻大大增加，从而恶 化传热。
21
（1）管束排列方式的影响
s1
s1
s2
顺排
s2
叉排
叉排：换热系数大，但流动阻力大. 顺排：换热系数小，但流动阻力小.
22
s1
s1
s2
s2
顺排
叉排
（2）流动方向上管排数的影响
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系 数的影响直到20排以上的管子才能消失。
工程热力学与传热学 第四章对流换热
从公式可知，要计算热流量，温度及面积比较容易得到，
主要是如何求得对流换热系数α，这是研究对流换热的主要任
务之一。
确定α；
➢对流换热的任务 揭示α与其影响因素的内在关系；
增强换热的措施。
➢研究对流换热的方法 ➢ 分析法 ➢ 实验法
➢ 比拟法 ➢ 数值法
➢ 分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定 解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。
➢关于速度边界层的几个要点
(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， << L
(2) 边界层内存在较大的速度梯度
(3) 边界层流态分层流与紊流；紊流边界层紧靠壁 面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）
(4) 流场可以划分为边界层区与主流区，主流区 的流体当作理想流体处理
热边界层
➢定义
当流体流过平板而平板的 温度tw与来流流体的温度t∞不相 等时，在壁面上方也能形成温 度发生显著变化的薄层，常称 0 为热边界层。
：流动边界层厚度 u 0.99u
t∞ u
δt δ
tw
x
l 如，空气外掠平
板u=10m/s：
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
➢速度边界层的形成及发展过程
紊流核心
临界距边离界xc层：从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决
于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
4、流体的物理性质
流体内部和流体与壁面间导热热阻小 c 单位体积流体能携带更多能量
有碍流体流动，不利于热对流
自然对流换热增强
体胀系数：
1
(
对流换热
地下工程概预算
5
第二节 施工图预算
二、施工图预算的编制
1．施工图预算的内容
（1）分层、分部位、分项工程的工程量指标；
（2）分层、分部位、分项工程所需人工、材料、机械台班 消耗量指标；
（3）按人工工种、材料种类、机械类型分别计算的消耗总 量；
（4）按人工、材料和机械台班的消耗总量分别计算的人工
费、材料费和机械台班
地下工程概预算
6
第二节 施工图预算
二、施工图预算的编制 2．施工图预算的编制依据 （1）施工图纸及说明书和标准图集。 （2）现行预算定额及单位估价表、建筑安装工程费用定额
、工程量计算规则。企业定额也是编制施工图预算的主要 依据。 （3）施工组织设计或施工方案、施工现场勘察及测量资料 。
Hale Waihona Puke 地下工程概预算对流换热过程
流体通过管、槽而被加热或冷却时称为内部流动 (或有界流动)的对流换热，流体绕流物体壁面而被加 热或冷却时，称为外部流动(或无界流动)的对流换热， 根据流体流动的起因，对流换热又可区分为强迫对 流换热和自然对流换热两类，前者是受外力(风机或 泵等)推动而形成的，后者是因流体各部分之间的密 度不同所引起的，它往往是原来静止的流体与不同 温度的壁面相接触，因热量传递使流体温度发生改 变的结果。
（1）工程勘察收费＝工程勘察收费基准价×（1土浮动幅度 值）
（2）工程勘察收费基准价＝工程勘察实物工作收费＋工程 勘察技术工作收费
（3）工程勘察实物工作收费＝工程勘察实物工作收费基价 ×实物工作量×附加调整系数
（4）工程勘察技术工作收费＝工程勘察实物工作收费×技 术工作收费比例
地下工程概预算
15
第三节 工程量计算方法
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数PPT.
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数 式中 Δ t—流体与壁面的温差，℃； F—对流换热表面面积，m2； α —对流换热系数，简称换热系数，W/m2.℃。 2.对流换热系数及意义 对流换热系数α 的大小反映对流换热的强弱，在数值上 等于当流体与壁面温差为1℃时，单位时间单位壁面面积上的 对流换热量。
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数 1.对流换热计算的基本计算公式 前面讲过，流体和固体壁面间的热量传递，称为对流换 热。对流换热是流体导热与对流综合作用的结果。 对流换热热流量采用牛顿冷却公式计算
tF
或写成
W
（1）
t t W 1 R F
（2）
1 R 称对流换热热阻；℃/W （3） F
ห้องสมุดไป่ตู้
精品课件- 对流换热原理及其应用
X方向热对流带入微元体的焓
H x cputdy
X方向热对流带出微元体的焓
Hxdx
Hx
H x x
dx
Hx
cput
x
dxdy
cp 是常量，提到微分号外边，变为
ut
H xdx H x cp x dxdy
X方向热对流引起的净热量
ut
H x H xdx cp x dxdy
y方向热对流引起的净热量
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式 传递
根据傅里叶定律：
q t
y
y=0
t y y0 为贴壁处壁面法线方向上的流体 温度变化率为流体的导热系数
将牛顿冷却公式与上式联立，即可得 到对流换热过程微分方程式
h t
t y y0
h 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流
体的温度梯度
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动 状况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、 表面粗糙度等 温度场取决于流场
单相 对流 换热
自然对流 混合对流 强制对流
大空间自然对流
层流 紊流
有限空间自然对流 层流
紊流
管内强制对流换热 流体横掠管外强制对流换热 流体纵掠平板强制对流换热
7 对流换热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，
在 贴 壁 处 被 滞 止 ， 处 于 无 滑 移 状 态 （ 即 ： y=0, u=0）
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
处，y 0 u ；0此后随 ，y 。 经u 过 一
个薄层后 接近主u流速度。
3. 定义 这一薄层称为流动边界层（速度边 界层），通常规定：u 0.9（9u主 流速度）处 的距离 为y流动边界层厚度，记为 。
- 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)。
联立可得：
h
Tw
T
T y
y0
W (m2 K)
——对流传热过程微分方程式
48-22
h T w T T y y 0
W (m 2K )
h取决于流体热导率、温度差、贴壁流体的温度梯度
温度梯度或者温度场取决于流体热物性、流动状况、 流速的大小及其分布、表面粗糙度等。
这个方程式明确地告诉我们，要求解一个对流换热问 题，获得该问题的对流换热系数，就必须首先获得 流场的温度分布，即温度场，然后确定壁面上的温 度梯度，最后计算出在参考温差下的对流换热系数。
h湍流h层流
说明湍流运动的一个最著名的经典实验就是 Osborne Reynolds (雷诺)的圆管实验（1883）
当圆管内流速很低时，观 察到的染色线是一条直 线 —— 层流流动
当雷诺数增加到，譬如Re 3500~4000以上时，染色 线则完全破碎；流体质点 做复杂而无规则的随机运 动 —— 湍流流动
对 流
自然对流 无限空间自然对流—横管、竖管、水平壁
换
有限空间自然对流—夹层空间
热
混合对流（强迫对流和自然对流并存）
大空间沸腾 沸腾换热 管内沸腾
有相变
管外凝结
凝结换热 管内凝结
垂直竖壁凝结 48-19
四、表面传热系数与温度场的关系
在对流换热理论建立的过程中，需要构建 h~T 的
关系式 对流换热系数 h ~ 流体温度场
由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体处于无
滑移的状态 （即：y=0, u=0）
又由于流体分子相互之间的扩散和相互之间的吸引造成流体之间 的相互牵制---粘性力，在其作用下会使流体的速度在垂直于壁面 的方向上发生改变。
当热量通过导热自壁面传入流体后，由于相对的宏观 运动以焓的形式被运动着的流体带向下游-----热对流；
对流传热与热对流不同，既有热对流，也有导热；
从机理上讲，对流换热除了紧贴壁面的流体依靠微观 粒子运动的导热之外，离开壁面的流体依靠宏观运动 储存和输运热量。
对流换热过程热量传递的机理
以流体外掠等温平板为例 对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过壁面的 流体沿壁面法线方向导热而实现的(为什么?)
速度边界层
(3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层
对流传热的基本公式 牛顿冷却公式（1701）
热流量Q：hA(Tw QhA(T
T) T)
W W
—流体被加热 —流体被冷却
热流 q Q A 密 h ( T w T 度 f)W m 2 ：
h Q
A(Tw T)
(1) 流动的起因：
自然对流： 流体因各部分温度不同 而引起的密度差异所产 生的流动
强制对流： 由外力（如：泵、风机、水 压头）作用所产生的流动
h强制h自然
48-11
(2) 流动状态：
层流：流体微团沿主流方向作有规则的分层流部分之间发生剧烈的混合， 流体质点做复杂无规则的运动
同时，分子的微观运动没有停止，流体微团内部以导 热的形式传向离壁面稍远的流体层-----热扩散
热扩散
热对流
被加热的流体向前运动，带走了一部分热量，从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少；流体中的温 度变化率也逐渐衰减
对流传热的特点：
(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程
(2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； 也必须有温差
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
热面向上
热面向下
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W(mC)] 密度 [kg m3]
比热容 c[J (kgC)] 动力粘度 [Ns m2]
运动粘度 [m2 s] h(流体内部和流体 间与 导壁 热面 热)阻小
、ch (单位体积流体能携 多带 能更 量 )
对流换热过程热量传递的机理
壁面和贴壁流体间的热量传递 热量自壁面传入流体后的传递
由于粘性的作用，流体在贴壁处被滞止，处于无滑移 状态（即：y=0, u=0），热量只能以导热方式传递：
热扩散
热对流
48-21
根据傅里叶定律：
qT yy0
W m2
根据牛顿冷却公式： q h ( T w - T ) W m 2
层流到湍流之间有一过渡阶 段；是过程，非瞬间完成
雷诺数的物理意义
ul ul u2
Re
u
l
惯性力与粘性力之比
(3) 流体有无相变：
相变换热： 凝结、沸腾、升华、 凝固、融化等
相变热（潜热）的吸收或释放起主要作用
h相变h单相
48-15
(4) 换热表面的几何因素：
换热表面的形状／大小／换热表面与流体流动方向 的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）
— —对流传W 热 /m2系 K 数
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问
题 （过程量 !!）
48-9
二、对流传热的影响因素
(1) 流动起因 (2) 流动状态 (3) 流体有无相变 (4) 换热表面的几何 因素
(5) 流体的热物理性 质等
传热学
Heat Transfer
第四章 对流换热的理论基础
Theory of Convective Heat Transfer
48-2
本讲要点
掌握对流换热的机理 对流、对流换热 掌握对流换热微分方程的一般表达式
掌握对流换热的主要影响因素 流动起因、流动状态、物性、几何形状
理解对流换热系数是过程量
了解对流换热微分方程组的推导过程 尤其是能量方程
§4-1 对流传热（换热）概说
一、对流传热
Tw T
对流传热———流体与固体壁之间有相对运动、且 存在温度差时所发生的热量传递过程
热对流 & 对流换热
热对流—由于流体的宏观运动，从而流体的各部分之 间 发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量 传递过程。
h (有碍流体流动、热 不对 利流 )于
48-17
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
hf(v,Tw,Tf,,cp,,,,l,Ω )
研究重点：揭示出表面传热系数与影响它的有关物 理量之间的内在联系，确定表面传热系数
三、对流传热现象的分类 外掠单管
强迫对流 无相变
外部流动 外掠管束 外掠平板
圆管内受迫流动 内部流动 其他形状管内受迫流动