传热学第五章

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①同时受热量传递规律和流体流动规律的支配。 是导热和流动着的流体微团携带热量的综合作用。 ③是传热的基本过程之一,在工程中应用十分广泛。 ※例如:空气与人体、屋面及墙壁的对流传热; 内燃机气缸内燃气与气缸壁及活塞的对流传热; 锅炉中烟气、空气与尾部受热面(过热器、省煤器和 空气预热器)的对流传热;


第五章 对流传热原理
第一节 概
3、分类(P73)
(3)按照单相流体的流动状态: ①层流对流传热:流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动

②湍流对流传热:除层流底层以外,流体各部分之间发生微团
掺混、横向脉动。 (4)按照流体与壁面的相对位臵: 强迫对流传热
①内部流动(或有界流动)对流传热如管槽内
②外部流动(或无界流动)对流传热如绕流物体壁面
※这就在壁面附近形成了一个流体速度明显减小的区域
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念 一、流动边界层(速度边界层)
图5-2 流体纵掠平壁时流动边界层的形成和发展
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
1、定义(P77) 上述固体壁面附近流体速度变化剧烈的薄层称为 流动边界层或速度边界层。 厚度δ 为
②既有流体分子间的微观导热,又有流体宏观位移的热对流;
造水机中的沸腾和冷凝器中水蒸汽的凝结等。
第五章 对流传热原理
第一节 概
3、分类(P73)
(1)按照流体有无相变: ②相变对流传热 (2)按照流体的流动起因: ①强迫对流传热: 外力 流体在泵、风机及其他压差作用下流过传热面时的对流传热 ②自然对流传热: 浮升力 由于流体自身温度场不均匀造成密度场不均匀从而产生的浮 升力是流体运动的动力 ①单相对流传热 凝结 沸腾
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
2、流动状态:h湍流>h层流 流层之间主要靠导热来传递热量,而湍流时除了层流
层流时流体微团沿主流方向作有规则的分层流动,
底层完全是导热,其他流层之间还同时存在横向脉动
的对流,互相掺混,致使传热强度大大增强。因此,
对于同一流体、同一种传热面,湍流对流传热系数大
于层流对流传热系数。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述 四、研究对流传热的方法(P76)
研究对流传热的方法,即确定对流传热系数h的方法大致有 以下四种: 分析解法、数值解法、比拟法和相似原理指导下的实验法
1、分析解法
对描写某一类对流传热问题的偏微分方程组及相应的定解 条件进行数学求解,从而获得速度场和温度场的分析解,并最 终求得对流传热系数h的表达式或数值。主要有两种形式:
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
对流传热系数的大致范围 对流传热种类 自然对流传热 空气 水 强迫对流传热 气体 高压水蒸汽 h[W/(m2﹒K)] 3~10 200~1000 20~100 500~3500 对流传热种类 水 液态金属 气-液相变传热 水沸腾 水蒸汽凝结 有机蒸汽凝结 表 5-1 h[W/(m2﹒K)] 1000~15000 3000~110000 2500~25000 5000~15000 500~2000
式中,lc为特征尺寸,uc、ρ、ν、η分别为流体的特征速度 (m/s)、密度(kg/m3)、运动粘度(m2/s)和动力粘度(Pa· s)
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
4、流动状态判据(P78)
(2)上述流体纵掠等温平壁中: 边界层由层流向湍流过渡的距离xc称为临界长度,对应的
临界雷诺数为
Re c
u x uw u x 0 ~ 0.99 uw 0 u u w u
流动边界层以外的区域称为主流区或自由流区, 其速度梯度几乎为零。
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
2、成因:三个“力”共同作用的结果(P77)
(1)壁面摩阻:引起扰动,使速度由u≦→0。 (2)粘性力:抑制外界扰动,成对出现,服从牛顿粘性定律:
第五章 对流传热原理
第一节 概 述 二、基本公式
1、牛顿冷却公式(P73)
h A t
q h t
其中 t t w t f ,h 指
hc
式中,传热面积A和温差△t都易确定,诸多复杂的影响因素都 集中在表面对流传热系数h身上。因此,研究对流传热,计算Φ 和 q 的关键就在于分析h的影响因素,揭示对流传热的机理,找
出计算h的具体表达式,确定h值。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
2、对流传热热阻(P74)
1 Rh hA 1 rh h
在对流传热过程中,当流体流过物体壁面时,由于粘性和温差, 紧靠壁面附近的一薄层区域中流体速度和温度变化剧烈,称为 边界层(详见本章第二节)。 ※边界层是对流传热主要热阻所在,是分析讨论的主要对象。 ※工程上常采取各种措施,减薄或破坏边界层,以提高传热强度
u y
边界层区: 主流区:
u 0, 0 ,受粘性影响 y
u 0, 0 ,无粘性影响 y
τ:粘性力,N/m2 ;η:动力粘度,Pa· s (3)惯性力:助长外界扰动。
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念 一、流动边界层(速度边界层)
图5-2 流体纵掠平壁时流动边界层的形成和发展
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
4、流体物性:
流体的热物理性质对于对流传热有较大影响,主要包括: ① 热导率λ: λ↑→h↑ (λ越大→边界层热阻越小→对流传热就越强) ② 比定压热容cp:cp↑→h↑( cp大→1kg流体携带的热量就多→h就大)
(ρ对流体的运动和传热量都有影响,一般ρ大→h大) ③密度:ρ↑→h↑ ④ 动力粘度η: η↑→h↓(η大→壁面摩阻大→边界层厚→热阻大→h小) 运动粘度υ=η/ρ ⑤ 体胀系数αV :αV↑→h自然↑ (αV影响自然对流,αV大→流体运动剧烈) 理想气体的αV=1/T,实际气体的αV由实验测定。 说明:a)应综合考虑各物性参数对h的影响;
b)计算中应合理选取确定物性参数值的特征温度tc。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
5、几何因素:
传热面的形状、大小、表面状况(光滑或粗糙)及其与 流体流向的相对位臵等几何因素都将影响对流传热的强度。 例如,同一根圆管,管内流动和管外流动(横掠)的强迫对流 传热是截然不同的,如图5-1a)所示。 再如,同一水平壁自然对流散热,热面朝上时气流旺盛,热面
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
1、分析解法
(2)积分近似解法 对边界层微分方程积分或直接导出边界层能量积分方程和 边界层动量积分方程,假设边界层内的速度分布和温度分布 (常设为多项式,由边界条件确定各项系数),然后代入积分 方程求解。其精确度取决于所假设的速度分布和温度分布接近 实际情况的程度。 需要指出的是:由于数学上的困难,虽然作了必要的简化和假 设,但分析解法至今仍只能解决少量简单的对流传热问题。
第五章 对流传热原理
第一节 概 一、基本概念(P73)
流动流体与所接触的物体表面之间由于存在温度 差而引起的热量传递称为(表面)对流传热。 1、对流
①只能发生在流体中,必然同时伴随有导热现象。 ②是热量传递的基本方式之一,但工程中很少单独存在。

第五章 对流传热原理
第一节 概
2、对流传热(P73)
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
4、相似原理指导下的实验法
※相似原理是指导实验的科学理论,在相似原理指导下建立实 验台、进行测试及整理实验数据,能够减少实验次数、提高 实验结果的通用性,其得到的计算h的特征数实验关联式适 用于与实验现象相似的所有对流传热(详见本章第四节)。 ※这种方法数学处理比较简单,应用范围较广,即可靠又方便, 是目前获得对流传热计算式的主要途径,也是本章的讨论重点 ※在概述了对流传热的基础上,下面将 首先介绍边界层概念, 然后简介边界层对流传热微分方程组, 最后重点讨论相似原理指导下的实验研究方法。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述 三、对流传热系数h及其影响因素(Pwk.baidu.com4-75)
q h t
表面对流传热系数是一个表征对流传热强弱的非物性参数, 由牛顿冷却公式可得
可见,h也即流体与壁面温度相差1℃(或1K)时的对流传 热热流密度。 ※各类对流传热的对流传热系数h相差很大, 表5-1列出了几种对流传热过程h值的大致范围。
h湍流>h层流
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
4、流动状态判据(P78)
强迫对流传热中,一般采用雷诺数Re作为流体流动状态的 定量判据。
雷诺数Re是个无量纲特征数,有明确的定义式及物理含义
(1)雷诺数Re:
u c lc 惯性力 f Re 粘性力
uc lc
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
3、发展过程(P77)
如图5-2所示,在平壁前缘x=0处,边界层厚度δ=0。随着 x的增加,边界层逐渐加厚,依次经过以下几个阶段: (1)层流:粘性力起主导作用,y方向热量传递为纯导热, 速度分布有规律,呈抛物线状。
(2)过渡流: 通常归入湍流,粘性力与惯性力相当, y方向热量传递为导热+微团掺混。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
1、分析解法
(1)数量级分析法 所谓数量级分析法,是指通过比较方程式中各项数量级的 相对大小,保留数量级较大的项而舍去数量级较小的项,实现 方程式的合理简化。 应用数量级分析法把对流传热微分方程组中的能量微分方 程和动量微分方程简化为边界层能量微分方程和边界层动量微 分方程,再配上定解条件即可求解。
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念 一、流动边界层(速度边界层) (P77)
※由流体力学可知,当流体以均匀流速u≦纵掠一平壁时, 如图5-2所示,由于壁面的存在和流体粘性的影响:
①紧贴在固体表面上的流体被滞止,速度等于零; ②壁面摩擦阻力的滞止作用将通过流体的粘性, 朝着远离壁面的y轴方向传递,影响的程度则迅速减小
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
影响对流传热系数h的因素较多,归纳起来可以 分为以下五个方面。(P74-75) 1、流动起因:h强迫对流>h自然对流 强迫对流由外力引起,而自然对流则由自身浮升力 引起。一般说来,强迫对流的流速大大超过自然对流
的流速,因此,同一流体的强迫对流传热系数大于自
然对流传热系数,如表5-1所示。
u xc

u xc 5 5 10
(3)湍流:惯性力起主导作用,y方向热量传递为
①层流底层:纯导热(粘性作用主导),速度梯度较大,近于直线。 ②缓冲层: 导热+微团掺混(粘性作用与微团掺混作用相当)。 ③湍流核心:微团掺混作用主导,速度变化较为平缓。
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
3、发展过程(P77)
总体而言,湍流与层流相比,由于流体 有横向脉动,微团剧烈掺混,因此,换热较 为充分:
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
3、有无相变:h相变>h单相 单相对流传热完全依靠流体显热变化而实现,而 相变对流传热时,流体压力和温度基本保持不变,流
体比体积变化巨大,传热量主要依靠潜热的吸进或放 因此,相变对流传热系数大于单相对流传热系数,如
表5-1所示。
出,对于同一种流体,比汽化潜热要比比热容大得多。
朝下时气流较弱,因此具有不同的传热强度,见图5-1b)
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
图5-1 几何因素的影响
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
综上所述,影响对流传热系数h的主要因素,可 定性地用函数形式表示为:
h=(v,tw,tf,λ,ρ,cp,η,αV,γ,lc,φ)
式中:γ为汽化潜热; lc为描述传热面大小的特征长度; φ为壁面的几何形状因素,包括形状、位臵等。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
2、数值解法
数值解法包括有限差分法和有限元素法等。
随着电子计算机的应用,对流传热边界层的数值解
法有了很大发展,是一种很有前途的计算方法,但
目前只能做预测计算。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
3、比拟法(热量传递与动量传递类比,由阻力系数Cf→hx)
通过研究热量传递与动量传递机制的共性或类似特性,先 求出热量传递与动量传递的关系,借助于已研究成熟的动量传 递结果,来解决分析解法很难解决的湍流对流传热等问题。 应用比拟法,可通过比较容易用实验测定的阻力系数Cf来 获得相应的对流传热系数hx的计算公式。但随着实验测试技术 及计算机技术的迅速发展,近年来这一方法已较少应用。
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