傳熱學(xué)-第五章-對(duì)流傳熱

1、1第五章第五章對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱Convective Heat Transfer25-1 對(duì)流傳熱概述對(duì)流傳熱概述1. 對(duì)流傳熱的定義對(duì)流傳熱的定義對(duì)流對(duì)流傳傳熱是指流體流經(jīng)固體表面時(shí)流體與固體表面之間的熱是指流體流經(jīng)固體表面時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象熱量傳遞現(xiàn)象局限性：局限性：未能揭示表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)未能揭示表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與相關(guān)物理量之間與相關(guān)物理量之間的內(nèi)在關(guān)系。的內(nèi)在關(guān)系。3 本章的主要任務(wù)：本章的主要任務(wù)：揭示對(duì)流傳熱內(nèi)在的物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述方法，以及進(jìn)行揭示對(duì)流傳熱內(nèi)在的物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述方法，以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的基本準(zhǔn)則實(shí)驗(yàn)研究的基本準(zhǔn)則定性地分析對(duì)流傳熱的影響因素思路：思路：深入

2、討論對(duì)流傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)描述導(dǎo)出邊界層問(wèn)題的簡(jiǎn)化方程給出相應(yīng)的求解方法4(1)導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程(2) 流固之間存在溫差流固之間存在溫差(3) 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)(4) 由于流體的粘性，受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會(huì)由于流體的粘性，受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層形成速度梯度很大的邊界層2. 對(duì)流傳熱的特點(diǎn)對(duì)流傳熱的特點(diǎn)3. 對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式54. 對(duì)流傳熱的影響因素對(duì)流傳熱的影響因素對(duì)流傳熱是流體的導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種基本傳熱方式共同

3、作用對(duì)流傳熱是流體的導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。其影響因素主要有以下五個(gè)方面：的結(jié)果。其影響因素主要有以下五個(gè)方面：(1)流動(dòng)起因流動(dòng)起因; (2)流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài); (3)流體有無(wú)相變流體有無(wú)相變; (4)換熱表面的幾何因素?fù)Q熱表面的幾何因素; (5)流流體的熱物理性質(zhì)體的熱物理性質(zhì)(1) 流動(dòng)起因流動(dòng)起因自然對(duì)流：自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差所產(chǎn)生的流體因各部分溫度不同而引起的密度差所產(chǎn)生的浮升力所推動(dòng)的流動(dòng)浮升力所推動(dòng)的流動(dòng)強(qiáng)迫對(duì)流：強(qiáng)迫對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、其他外部動(dòng)力源）作由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、其他外部動(dòng)力源）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)用所產(chǎn)生的流動(dòng)6(2

4、) 流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)層流湍流hh(3) 流體有無(wú)相變流體有無(wú)相變單相相變hh層流：層流：（Laminar flow）流體微團(tuán)沿主流方向做有規(guī)則的流體微團(tuán)沿主流方向做有規(guī)則的分層運(yùn)動(dòng)，整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線分層運(yùn)動(dòng)，整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線湍流：湍流：（Turbulent flow）流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合。流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合。單相換熱：?jiǎn)蜗鄵Q熱：（Single phase heat transfer）：傳熱是由于流體的顯）：傳熱是由于流體的顯熱（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下熱（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下100飽和水的比熱容：飽和水的比熱

5、容：Cp=4.22 kJ/kgK）變化而實(shí)現(xiàn)變化而實(shí)現(xiàn);相變換熱：相變換熱：流體凝結(jié)、沸騰等過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的是潛熱流體凝結(jié)、沸騰等過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的是潛熱（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下100飽和水蒸發(fā)形成飽和水蒸發(fā)形成100 的飽和蒸汽的的飽和蒸汽的汽化潛熱汽化潛熱g g=2257.1 KJ/Kg）7(4) 換熱表面的幾何因素：換熱表面的幾何因素：內(nèi)部流動(dòng)內(nèi)部流動(dòng)(internal flow) ：管內(nèi)或槽內(nèi)管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)外部流動(dòng)(external flow)：外掠平板、圓管、管束外掠平板、圓管、管束換熱表面的形狀，大小，表面與流體流動(dòng)方向的相對(duì)位置、換熱表面的形狀，大小，表面與

6、流體流動(dòng)方向的相對(duì)位置、換熱表面的粗糙程度換熱表面的粗糙程度8(5) 流體的熱物理性質(zhì)：流體的熱物理性質(zhì)：綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是眾多因素的函數(shù)：綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是眾多因素的函數(shù)：95.對(duì)流傳熱分類小結(jié)對(duì)流傳熱分類小結(jié):原則上每種對(duì)流傳熱方式都可以分為層流和湍流兩種流態(tài)，為表達(dá)方便未予以區(qū)分。比擬法比擬法（analogymethod）：通過(guò)研究動(dòng)量傳遞及熱量傳遞的共性或類似特性，以建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系通過(guò)研究動(dòng)量傳遞及熱量傳遞的共性或類似特性，以建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系數(shù)間的相互關(guān)系的方法。應(yīng)用比擬法，可通過(guò)比較容易測(cè)定的阻力系數(shù)來(lái)獲得相應(yīng)數(shù)間的相互關(guān)系的方法。應(yīng)用比擬法，可通過(guò)

7、比較容易測(cè)定的阻力系數(shù)來(lái)獲得相應(yīng)的的h。這一方法在早期用來(lái)獲得湍流換熱的計(jì)算公式，但隨著實(shí)驗(yàn)手段和計(jì)算機(jī)技。這一方法在早期用來(lái)獲得湍流換熱的計(jì)算公式，但隨著實(shí)驗(yàn)手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前已較少使用。術(shù)的發(fā)展，目前已較少使用。研究對(duì)流傳熱的方法：研究對(duì)流傳熱的方法：（1）分析法，（）分析法，（2）實(shí)驗(yàn)法，（）實(shí)驗(yàn)法，（3）數(shù)值法，（）數(shù)值法，（4）比擬法）比擬法考慮粘性流體掠過(guò)平板的流動(dòng)問(wèn)題。由于粘性的作用，流體的流速在靠近壁面處，隨距考慮粘性流體掠過(guò)平板的流動(dòng)問(wèn)題。由于粘性的作用，流體的流速在靠近壁面處，隨距離壁面距離的縮短而逐漸降低；在緊貼壁面處形成一滯止的薄層，處于無(wú)滑移的狀態(tài)。離壁面距

8、離的縮短而逐漸降低；在緊貼壁面處形成一滯止的薄層，處于無(wú)滑移的狀態(tài)。由于滯止，熱量穿過(guò)該靜止區(qū)域的方式只能是導(dǎo)熱（不考慮輻射）對(duì)流傳熱量=導(dǎo)熱量對(duì)貼壁流體（滯止薄層）應(yīng)用傅里葉定律 如何從求溫度場(chǎng)獲得對(duì)流傳熱系數(shù)如何從求溫度場(chǎng)獲得對(duì)流傳熱系數(shù)h貼壁流體的貼壁流體的無(wú)滑移邊界條件無(wú)滑移邊界條件12Note: 第三類邊界條件中的第三類邊界條件中的h為已知量為已知量135-2 對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述 b) 流體為流體為不可壓縮不可壓縮的的牛頓流體牛頓流體為便于分析，以二維對(duì)流傳熱問(wèn)題為研究對(duì)象：為便于分析，以二維對(duì)流傳熱問(wèn)題為研究對(duì)象：c) 所有物性參數(shù)（所有物性參數(shù)（ 、cp

9、、 、 ）為常量）為常量d) 粘性耗散熱忽略不計(jì)粘性耗散熱忽略不計(jì)假設(shè)：假設(shè)：a) 流體為連續(xù)性介質(zhì)流體為連續(xù)性介質(zhì)控制變量：控制變量：速度速度 u、v；壓力；壓力 p；溫度；溫度 t控制方程：控制方程：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程141. 1. 質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程( (連續(xù)方程連續(xù)方程) )以二維流動(dòng)為例，從流場(chǎng)中以二維流動(dòng)為例，從流場(chǎng)中 (x, y) 處取出邊長(zhǎng)為處取出邊長(zhǎng)為 dx、dy 的微元體的微元體單位時(shí)間內(nèi)、沿單位時(shí)間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)軸方向、經(jīng)x表面流入微元體的質(zhì)量（質(zhì)量流量表面流入微元體的質(zhì)量（質(zhì)量流量 kg/s）單位時(shí)間內(nèi)、沿單位時(shí)間內(nèi)、

10、沿x軸方向、經(jīng)軸方向、經(jīng)x+dx表面流出微元體的質(zhì)量表面流出微元體的質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)、沿單位時(shí)間內(nèi)、沿x軸方向流入微元體的凈質(zhì)量：軸方向流入微元體的凈質(zhì)量：15單位時(shí)間內(nèi)微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化單位時(shí)間內(nèi)微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化:質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒:微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化量微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化量=流入流出微元體的凈質(zhì)量流入流出微元體的凈質(zhì)量粘性流體二維連續(xù)性方程：粘性流體二維連續(xù)性方程：不可壓流（密度為常數(shù)）：不可壓流（密度為常數(shù)）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、沿單位時(shí)間內(nèi)、沿 y 軸方向流入流出微元體的凈質(zhì)量：軸方向流入流出微元體的凈質(zhì)量：162. 2. 動(dòng)量守恒方程動(dòng)量守恒方程牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律:

11、 作用在微元體上各外力的總和等于控制體中流體動(dòng)量的變化率作用在微元體上各外力的總和等于控制體中流體動(dòng)量的變化率作用力：體積力（作用力：體積力（重力、離心力、電磁力重力、離心力、電磁力）F = ma表面力：切應(yīng)力、表面力：切應(yīng)力、z應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力形式的運(yùn)動(dòng)微分方程：應(yīng)力形式的運(yùn)動(dòng)微分方程：（1）牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系：牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系：1）達(dá)朗伯原理）達(dá)朗伯原理兩相鄰正交截面上的剪切力互等兩相鄰正交截面上的剪切力互等2）斯托克斯三假設(shè)）斯托克斯三假設(shè)a) 流體各向同性，任一質(zhì)點(diǎn)在的各個(gè)方向上物理性質(zhì)都相同流體各向同性，任一質(zhì)點(diǎn)在的各個(gè)方向上物理性質(zhì)都相同b) 應(yīng)力分量與變形速度成正比應(yīng)力分量與變形速

12、度成正比c) 變形速度為零：切應(yīng)力為零，法向應(yīng)力為流體靜壓強(qiáng)變形速度為零：切應(yīng)力為零，法向應(yīng)力為流體靜壓強(qiáng)P粘性流體的運(yùn)動(dòng)微分方程粘性流體的運(yùn)動(dòng)微分方程 Navier-Stokes方程，最普遍的流體運(yùn)動(dòng)方程：方程，最普遍的流體運(yùn)動(dòng)方程：忽略微元體內(nèi)粘性隨坐標(biāo)的變化，并取第二動(dòng)力粘度為零：忽略微元體內(nèi)粘性隨坐標(biāo)的變化，并取第二動(dòng)力粘度為零：若流體不可壓，則有：若流體不可壓，則有：20二維、不可壓縮、常物性、牛頓流體運(yùn)動(dòng)二維、不可壓縮、常物性、牛頓流體運(yùn)動(dòng)微分方程組：微分方程組：慣性力項(xiàng)慣性力項(xiàng)體積力項(xiàng)體積力項(xiàng)壓強(qiáng)梯度項(xiàng)壓強(qiáng)梯度項(xiàng)粘滯力項(xiàng)粘滯力項(xiàng)213. 能量方程能量方程微元體的能量守恒：與導(dǎo)熱問(wèn)

13、題的微分方程推導(dǎo)比需要多考慮微元體的能量守恒：與導(dǎo)熱問(wèn)題的微分方程推導(dǎo)比需要多考慮流體流進(jìn)流出所攜帶的能量流體流進(jìn)流出所攜帶的能量導(dǎo)入的凈能量導(dǎo)入的凈能量 + 流入凈能量流入凈能量 + 內(nèi)熱源能量?jī)?nèi)熱源能量 = 熱力學(xué)能的增量熱力學(xué)能的增量 + 對(duì)外對(duì)外作作膨脹功膨脹功假設(shè)：假設(shè)：（1）流體不可壓縮）流體不可壓縮 流體對(duì)外做功流體對(duì)外做功 W0開(kāi)口系熱力學(xué)第一定律：開(kāi)口系熱力學(xué)第一定律：（1）以以x方向?yàn)槔悍较驗(yàn)槔和硗韞方向有：方向有：（2）（3）（4）將式（將式（2）、（）、（3）、（）、（4）代入式（）代入式（1）：）：化簡(jiǎn)得：化簡(jiǎn)得：二維坐標(biāo)系內(nèi)，常物性，無(wú)內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流

14、體的能量方程：二維坐標(biāo)系內(nèi)，常物性，無(wú)內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體的能量方程：24二維、常物性、不可壓縮、牛頓流體二維、常物性、不可壓縮、牛頓流體對(duì)流傳熱微分方程組：對(duì)流傳熱微分方程組：非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)幾點(diǎn)討論：幾點(diǎn)討論：（1）流體靜止，對(duì)流項(xiàng)為、體積力、壓力項(xiàng)為零，）流體靜止，對(duì)流項(xiàng)為、體積力、壓力項(xiàng)為零，方程退化為常物性、無(wú)內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程：方程退化為常物性、無(wú)內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程：（2）穩(wěn)態(tài)對(duì)流傳熱，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)消失，方程可簡(jiǎn)寫為：）穩(wěn)態(tài)對(duì)流傳熱，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)消失，方程可簡(jiǎn)寫為：5. 對(duì)流傳熱過(guò)程的單值性條件對(duì)流傳熱過(guò)程的單值性條件單值性條件：能單一地反映對(duì)流傳熱過(guò)程特點(diǎn)的條件單值性條件

15、：能單一地反映對(duì)流傳熱過(guò)程特點(diǎn)的條件單值性條件包括四項(xiàng)：幾何、物性、時(shí)間、邊界單值性條件包括四項(xiàng)：幾何、物性、時(shí)間、邊界完整數(shù)學(xué)描述：對(duì)流傳熱微分方程組完整數(shù)學(xué)描述：對(duì)流傳熱微分方程組 + 單值性條件單值性條件邊界條件邊界條件三類邊界條件中只有第一類、第二類邊界條件可用三類邊界條件中只有第一類、第二類邊界條件可用 第一類邊界條件第一類邊界條件 已知任一瞬間邊界上的已知任一瞬間邊界上的溫度值溫度值 第二類邊界條件第二類邊界條件已知任一瞬間邊界上的已知任一瞬間邊界上的熱流密度值熱流密度值 研究對(duì)流傳熱問(wèn)題的最終目的就是獲取對(duì)流出傳熱系數(shù)研究對(duì)流傳熱問(wèn)題的最終目的就是獲取對(duì)流出傳熱系數(shù)h， 因此對(duì)流

16、傳熱問(wèn)題中一般不存在第三類邊界條件因此對(duì)流傳熱問(wèn)題中一般不存在第三類邊界條件 4個(gè)方程（個(gè)方程（連續(xù)，動(dòng)量，能量方程連續(xù)，動(dòng)量，能量方程），），4個(gè)未知量（個(gè)未知量（ u，v，t， p ） 原則上方程封閉，由于原則上方程封閉，由于N-S方程的復(fù)雜性和非線性，對(duì)整個(gè)方程的復(fù)雜性和非線性，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的求解非常困難。流場(chǎng)的求解非常困難。275-3 邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述邊界層型對(duì)流傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述邊界層的概念：邊界層的概念： 粘性流體流過(guò)物體表面時(shí)，粘性流體流過(guò)物體表面時(shí)，由于粘性作用，在緊靠固體壁面由于粘性作用，在緊靠固體壁面處，存在一個(gè)速度發(fā)生劇烈變化的薄層，稱為處，存在一個(gè)速度發(fā)生劇

17、烈變化的薄層，稱為流動(dòng)邊界層流動(dòng)邊界層（速度邊界層）（速度邊界層） 當(dāng)壁面與流體間有溫差時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生溫度梯度很大的當(dāng)壁面與流體間有溫差時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生溫度梯度很大的溫度邊溫度邊界層界層（或稱熱邊界層）（或稱熱邊界層） 1904年德國(guó)普朗特提出了著名的邊界層理論，年德國(guó)普朗特提出了著名的邊界層理論，N-S方程才得到了實(shí)質(zhì)性的方程才得到了實(shí)質(zhì)性的簡(jiǎn)化；簡(jiǎn)化； 波爾豪森又把邊界層概念推廣到了對(duì)流傳熱問(wèn)題，提出熱邊界層的概念。波爾豪森又把邊界層概念推廣到了對(duì)流傳熱問(wèn)題，提出熱邊界層的概念。28y 方向上，從方向上，從 y = 0開(kāi)始，開(kāi)始，u = 0 ，u 隨離壁面距離隨離壁面距離y的增加而迅速增大；經(jīng)的

18、增加而迅速增大；經(jīng)過(guò)厚度為過(guò)厚度為 的薄層，的薄層，u 接近主流速度接近主流速度 u 邊界層厚度邊界層厚度定義：定義：u/u =0.99 時(shí)，該處離壁的距離為邊界層厚度時(shí)，該處離壁的距離為邊界層厚度 相比物體的特征長(zhǎng)度相比物體的特征長(zhǎng)度l是一個(gè)是一個(gè)小量：小量：邊界層內(nèi)：邊界層內(nèi)：平均速度梯度很大；平均速度梯度很大；y=0處的速度梯度最大處的速度梯度最大相對(duì)于平板長(zhǎng)度，邊界層小一個(gè)數(shù)量級(jí)相對(duì)于平板長(zhǎng)度，邊界層小一個(gè)數(shù)量級(jí)空氣外掠平板，空氣外掠平板，u =10m/s：1. 流動(dòng)邊界層流動(dòng)邊界層（Velocity boundary layer）29主流區(qū)：主流區(qū)： u 在在 y 方向幾乎不變化，方

19、向幾乎不變化， u/ y=0流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：邊界層區(qū)邊界層區(qū)與與主流區(qū)主流區(qū)邊界層區(qū)：邊界層區(qū)：流體的粘性作用起主導(dǎo)作用。流體的粘性作用起主導(dǎo)作用。2. 邊界層的流動(dòng)狀態(tài)：邊界層的流動(dòng)狀態(tài)：粘滯應(yīng)力可忽略，可視為無(wú)粘流體，運(yùn)動(dòng)方程用歐拉方程表示粘滯應(yīng)力可忽略，可視為無(wú)粘流體，運(yùn)動(dòng)方程用歐拉方程表示運(yùn)動(dòng)方程可用粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述（運(yùn)動(dòng)方程可用粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述（N-S方程）方程）30由層流邊界層開(kāi)始向湍流邊界層過(guò)渡的距離由層流邊界層開(kāi)始向湍流邊界層過(guò)渡的距離xc，稱為稱為臨界距離臨界距離湍流邊界層的主流區(qū)由湍流邊界層的主流區(qū)由湍流主導(dǎo)，湍流主導(dǎo)，但緊靠

20、壁面處，粘滯力會(huì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使粘附于壁面的一極薄但緊靠壁面處，粘滯力會(huì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使粘附于壁面的一極薄層仍然會(huì)保持層流特征，稱為層仍然會(huì)保持層流特征，稱為粘性底層，粘性底層，具有最大的速度梯度。具有最大的速度梯度。流體外掠平板時(shí)流動(dòng)邊界層形成發(fā)展及局部對(duì)流傳熱系數(shù)hl的變化 局部對(duì)流傳熱系數(shù)hl的變化層流區(qū)：邊界層增厚，對(duì)流傳熱效果減弱hl過(guò)渡區(qū)：邊界層減薄，對(duì)流傳熱效果增強(qiáng)hl旺盛湍流區(qū)：粘性底層逐漸增厚，對(duì)流傳熱效果減弱hl先減后增再減的趨勢(shì)31流動(dòng)邊界層的幾個(gè)重要特性總結(jié)：流動(dòng)邊界層的幾個(gè)重要特性總結(jié)：(1) 流場(chǎng)可以劃分為邊界層區(qū)與主流區(qū)流場(chǎng)可以劃分為邊界層區(qū)與主流區(qū)(2) 邊界層厚度

21、邊界層厚度 與壁面尺寸與壁面尺寸l相比極小，相比極小， L(4) 邊界層流態(tài)分層流與湍流；湍流邊界層緊靠壁面處仍一層極邊界層流態(tài)分層流與湍流；湍流邊界層緊靠壁面處仍一層極薄的薄的粘性底層（粘性底層（viscous sublayer）邊界層區(qū)：由粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述邊界層區(qū)：由粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程組描述主流區(qū)：由理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程主流區(qū)：由理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程歐拉方程描述歐拉方程描述(3) 邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度(5) 邊界層概念也可以用于分析其他具有類似流動(dòng)情況下的對(duì)邊界層概念也可以用于分析其他具有類似流動(dòng)情況下的對(duì)流傳熱問(wèn)題如：流體在管內(nèi)受迫流動(dòng)、流體外

22、掠圓管流動(dòng)、流流傳熱問(wèn)題如：流體在管內(nèi)受迫流動(dòng)、流體外掠圓管流動(dòng)、流體在豎直壁面上的自然對(duì)流等體在豎直壁面上的自然對(duì)流等32 t 熱邊界層厚度：將熱邊界層厚度：將過(guò)余溫度過(guò)余溫度為為來(lái)流過(guò)余溫度來(lái)流過(guò)余溫度的的99%處定義為熱邊界層的外邊界處定義為熱邊界層的外邊界由此，溫度場(chǎng)也可分為兩個(gè)區(qū)域：熱邊界層區(qū)，主流區(qū)由此，溫度場(chǎng)也可分為兩個(gè)區(qū)域：熱邊界層區(qū)，主流區(qū)流動(dòng)邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過(guò)程和邊界層內(nèi)的流動(dòng)邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過(guò)程和邊界層內(nèi)的溫度分布溫度分布流動(dòng)邊界和熱邊界層相互耦合流動(dòng)邊界和熱邊界層相互耦合3. 3. 熱邊界層熱邊界層（Thermal boundar

23、y layer）定義：定義：固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為熱固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為熱邊界層。邊界層。對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)顯示：對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)顯示：當(dāng)壁面與流體間有溫差，壁面附近的一個(gè)薄層內(nèi)，當(dāng)壁面與流體間有溫差，壁面附近的一個(gè)薄層內(nèi)，流體溫度在壁面法線方向上發(fā)生劇烈變化，在此薄層之外，流體的溫度梯度流體溫度在壁面法線方向上發(fā)生劇烈變化，在此薄層之外，流體的溫度梯度幾乎為零。將流動(dòng)邊界層的概念推廣到對(duì)流傳熱中有：幾乎為零。將流動(dòng)邊界層的概念推廣到對(duì)流傳熱中有：溫度梯度可忽略33層流和湍流的影響：層流和湍流的影響： 與與 t 的關(guān)系的關(guān)系：分別反映流體微團(tuán)

24、的動(dòng)量和熱量擴(kuò)散的深度，在數(shù)值上是：分別反映流體微團(tuán)的動(dòng)量和熱量擴(kuò)散的深度，在數(shù)值上是同一數(shù)量級(jí)的小量同一數(shù)量級(jí)的小量湍流邊界層貼壁處的溫度梯度明顯大于層流，湍流邊界層貼壁處的溫度梯度明顯大于層流，湍流湍流：溫度呈冪函數(shù)分布：溫度呈冪函數(shù)分布層流層流：溫度呈拋物線分布：溫度呈拋物線分布湍流換熱比層流換熱強(qiáng)！湍流換熱比層流換熱強(qiáng)！數(shù)量級(jí)分析：數(shù)量級(jí)分析：比較方程中各量和各項(xiàng)的數(shù)量級(jí)相對(duì)大?。槐Ａ袅勘容^方程中各量和各項(xiàng)的數(shù)量級(jí)相對(duì)大??；保留量級(jí)較大的量或項(xiàng)；舍去那些量級(jí)小的項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)方程的合理簡(jiǎn)化級(jí)較大的量或項(xiàng)；舍去那些量級(jí)小的項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)方程的合理簡(jiǎn)化4. 邊界層對(duì)流傳熱的微分方程組邊界層對(duì)流傳熱的微

25、分方程組5個(gè)基本量的數(shù)量級(jí)如下：個(gè)基本量的數(shù)量級(jí)如下：略去略去y y方向的二階導(dǎo)得到方向的二階導(dǎo)得到二維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源的邊界層能量方程二維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源的邊界層能量方程：能量方程：能量方程：35質(zhì)量方程：質(zhì)量方程：動(dòng)量方程：動(dòng)量方程：36層流邊界層型對(duì)流傳熱層流邊界層型對(duì)流傳熱微分方程組：微分方程組：3個(gè)方程、個(gè)方程、3個(gè)未知量：個(gè)未知量：u、v、t，方程封閉，方程封閉如果配上相應(yīng)的定解條如果配上相應(yīng)的定解條件，則可以求解件，則可以求解37求解上述方程組（求解上述方程組（層流邊界層型對(duì)流傳熱微分方程組層流邊界層型對(duì)流傳熱微分方程組），），5-4 流體外掠平板傳熱層流分析解及比擬理論流體外掠平板傳熱