傳輸原理教案(第)傳熱

1、1描述：描述：1. 1. 對流換熱對流換熱是在是在流體流動進程中流體流動進程中發(fā)生的發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象熱量傳遞現(xiàn)象。2. 2. 它是依靠它是依靠流體質(zhì)點的移動流體質(zhì)點的移動進行熱量傳遞的進行熱量傳遞的。3. 3. 與流體的與流體的流動情況流動情況密切相關。密切相關。 4. 4. 當流體作層流流動時，在當流體作層流流動時，在垂直于流體流動方向上垂直于流體流動方向上的熱量傳的熱量傳遞，遞，主要以熱傳導主要以熱傳導（也也有較弱的自然對流）的方式進行。有較弱的自然對流）的方式進行。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本

2、概念一、對流換熱概念：一、對流換熱概念： 對流換熱對流換熱是指是指 “相對于固體表面流動的相對于固體表面流動的流體流體 ”與與固體表固體表面面之間的之間的熱量傳輸。熱量傳輸。2對流換熱總結(jié)：對流換熱總結(jié)：導熱導熱 + 熱對流；壁面熱對流；壁面+流動流動第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念3三、對流換熱的分類：三、對流換熱的分類： 1. 從流動起因分：從流動起因分：自然對流自然對流：流體因：流體因各部分溫度不同各部分溫度不同而引起的而引起的密度差異密度差異所產(chǎn)生的流動所產(chǎn)生的流動（Free convection）強制對流：強制對流：由外力（如：泵、

3、風機）作用所產(chǎn)生的流由外力（如：泵、風機）作用所產(chǎn)生的流動動（Forced convection）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念4 2. 從從換熱表面的幾何因素分：換熱表面的幾何因素分：內(nèi)部流動內(nèi)部流動對流換熱對流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動外部流動對流換熱對流換熱：外掠平板、圓管、管束：外掠平板、圓管、管束 3. 從流動狀態(tài)分：從流動狀態(tài)分：層流層流：整個流場呈一簇互相平行的流線。：整個流場呈一簇互相平行的流線。（Laminar flow）湍流湍流：流體質(zhì)點做復雜無規(guī)則的運動。：流體質(zhì)點做復雜無規(guī)則的運動。（Turbulent f

4、low）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念5 4. 從流體有無相變分：從流體有無相變分：單相換熱：單相換熱： （Single phase heat transfer）相變換熱：相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等（Phase change）：）： Condensation、Boiling第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念6第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念78第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對

5、流換熱基本概念對流換熱基本概念9第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念 101. 既有聯(lián)系，也有區(qū)別。既有聯(lián)系，也有區(qū)別。2. 溫度分布受速度分布的溫度分布受速度分布的影響，但是它們的分布曲影響，但是它們的分布曲線并不相同。線并不相同。速度邊界層速度邊界層厚度厚度和和溫度邊界層厚度溫度邊界層厚度不不相等相等。 第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念六、速度邊界層和溫度邊界層關系：六、速度邊界層和溫度邊界層關系：11七、紊流條件下的溫度邊界層分為三個區(qū)域：七、紊流條件下的溫度邊界層分為三個區(qū)域： （1）紊

6、流區(qū)）紊流區(qū) （p186特點）特點） （2）過渡區(qū)，）過渡區(qū)，（3）層流底層區(qū)）層流底層區(qū).第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念12h是對流換熱系數(shù)是對流換熱系數(shù)，是一個把眾多影，是一個把眾多影響對流換熱因素綜合而成的系數(shù)。響對流換熱因素綜合而成的系數(shù)。Ts, Tf 分別為分別為璧面溫度璧面溫度和和流體溫度，流體溫度， F是換熱面積，是換熱面積，h是對流換熱系數(shù)，是對流換熱系數(shù)，Q 是熱流量，是熱流量， q是熱流密度。是熱流密度。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念13十、十、 對流換熱系數(shù)對流換熱

7、系數(shù) h 的計算式的計算式 固體壁面處（固體壁面處（y=0）, 該處的熱量傳輸只有導熱。該處的熱量傳輸只有導熱。導熱速率導熱速率對流換熱速率對流換熱速率TyyTfTsTyyTh00(9-3) 對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù) h 的計算式，的計算式，也叫也叫 “換熱微分方程換熱微分方程”第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念14 1 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度、比熱cp、導熱系數(shù)、粘度等； 2 流體的狀態(tài)流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過程中是否有相變。有相變時對流傳熱系數(shù)比無相變化時大的多； 3 流體的運動狀況：流體的運動狀況

8、：層流、過渡流或湍流 (Re)； 4 流體對流的狀況：流體對流的狀況：自然對流，強制對流； 5 傳熱表面的形狀、位置及大小傳熱表面的形狀、位置及大?。喝绻堋?、管束、管徑、管 長、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念15第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.1 對流換熱基本概念對流換熱基本概念16第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.2 對流換熱的基本方程是對流換熱的基本方程是熱量平衡微分方程。熱量平衡微分方程。熱量平衡微分方程熱量平衡微分方程揭示了流體的流動與內(nèi)部溫度場的關系。揭示了流體的

9、流動與內(nèi)部溫度場的關系。熱量平衡微分方程：熱量平衡微分方程：推導推導熱量平衡微分方程熱量平衡微分方程的前提條件：的前提條件：（1）所研究流體為不可壓縮牛頓流體。）所研究流體為不可壓縮牛頓流體。（2）物理參數(shù)為常物數(shù)，不隨溫度、壓力而變化。）物理參數(shù)為常物數(shù)，不隨溫度、壓力而變化。（3）沒有內(nèi)熱源。）沒有內(nèi)熱源。（4）粘性摩擦產(chǎn)生的耗散熱忽略不計。）粘性摩擦產(chǎn)生的耗散熱忽略不計。17由能量守恒定律，有如下關系式：由能量守恒定律，有如下關系式：對流輸入的熱量對流輸入的熱量 對流輸出的熱量對流輸出的熱量+傳導輸入的熱量傳導輸入的熱量 傳導輸出的熱量傳導輸出的熱量微元體內(nèi)能的累積量微元體內(nèi)能的累積量第

10、二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.2 輸入熱量 輸出熱量 累積熱量對流傳導對流傳導熱量平衡微分方程分析思路：熱量平衡微分方程分析思路：18經(jīng)推導，最后得到經(jīng)推導，最后得到熱量平衡方程熱量平衡方程 ：（：（9-5）和（）和（9-6） 也叫做也叫做傅立葉傅立葉-克?；舴蚍匠蹋讼；舴蚍匠蹋‵-K 方程）方程） 222222zTyTxTazTvyTvxTvtTzyx（9-5）TaDtDT2（9-6）實體導數(shù)傅立葉克?；舴?qū)嵛⒎址匠虠l件：1) ，cp均為常數(shù)，不可壓縮流體。 2) 無內(nèi)熱源，無粘性耗散。純固體導熱（沒有流動）：TatT2（8-10）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章

11、章 9.2 19柱坐標系下的熱量平衡方程熱量平衡方程 ： P.191, (9-7)式 球坐標系下的熱量平衡方程熱量平衡方程 ： P.191,(9-8)式 第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.2 20TyyTh09.3.1. 平板邊界層對流換熱微分方程組邊界層對流換熱微分方程組 (層流，穩(wěn)定)22yTayTvxTvyx換熱微分方程（9-3）F-K方程（9-9）22yvyvvxvvxxyxxN-S方程（3-94）0yvxvyx連續(xù)性方程（3-92）邊界條件：（平板溫度不變）1) y=0時， vx =0, vy =0, T =TsT02) y=時， vx =v , T =T第二篇第二篇

12、熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.3 21 9.6 . 自然對流換熱自然對流換熱 p2111。自然對流：。自然對流：靜止流體接觸固體表面，如果兩者有溫度差，則靠近固體表面的流體中因溫度場不均勻，導致密度差的產(chǎn)生，引起自然對流。（一般是在浮力作用下的流體上下相對運動）2。自然對流換熱：。自然對流換熱：自然對流下的熱量傳輸過程為自然對流換熱。自然對流換熱有大空間和有限空間的區(qū)別。(P.211)第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.6 自然對流換熱自然對流換熱 223。 自然對流換熱中，起決定作用的準數(shù)是自然對流換熱中，起決定作用的準數(shù)是格拉曉格拉曉夫準數(shù)夫準數(shù)Gr。23TLgGr 溫度膨

13、脹系數(shù)L平板長度T = TsTf阻力慣性力浮力GrGr 越大，自然對流越強烈越大，自然對流越強烈第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.6 自然對流換熱自然對流換熱 234。 流體沿垂直壁面自然對流，也形成速度邊界層和溫度邊流體沿垂直壁面自然對流，也形成速度邊界層和溫度邊界層。其特點為界層。其特點為 （設流動（設流動 x 方向）：方向）：（p211 圖圖 9-19）（1） 若Ts Tf，則邊界層中流體溫度沿著y方向（遠離壁面方向）上流體溫度Tf 單調(diào)遞減。（2） a. 壁面處，流體流速為零。b. 在邊界層外，由于無溫度差，流速度也為零。所以 y 方向有 vx 的極大值。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第9章章 9.6 自