電子組裝工藝與設備(大二下學期)第三節(jié)對流換熱

1、第三節(jié) 對流換熱1基本概念及牛頓公式對流換熱： 指流體(氣體或液體)與固體表面直接接觸時，由于溫差引起的相互之間的熱能傳遞過程。導熱與對流同時存在的復雜熱傳遞過程；必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差；壁面與流體交界處會形成速度梯度很大的邊界層。2邊界層 流體沿著壁面流動可分為兩個區(qū)域： 1）緊靠壁面的薄層，具有較大的流體速度梯度或溫度梯度，稱為邊界層。 2）邊界層以外的主流區(qū)域，主流速度均勻，主流溫度一定，梯度均為零。3速度邊界層的特征： 流體速度從0wf，受內摩擦力影響大，具有較大的速度梯度。 層流： 有規(guī)則的分層流動 ， 在與壁面垂直的方向上速 度為零，故無對流，熱量 的

2、傳遞主要依靠傳導，與 流體的流速無關。 4 紊流：隨著流體的流動，邊界層厚度增加，過渡到紊流層，由于慣性力的作用，流體運動加劇，在壁面法線方向具有速度，從而具有了較強的對流作用，而在紊流狀態(tài)下，垂直于壁面的方向上不僅有導熱，而且也有熱對流，并且就一般流體來說，垂直于管壁方向上的熱對流起主導作用。 5熱邊界層的特征 速度邊界層概念推廣用于熱交換過程，可得到熱邊界層，也稱為溫度邊界層。 熱邊界層在沿壁面的法線方向上具有較強的溫度梯度，溫度變化較大，溫度從twtf。6牛頓公式 牛頓公式指出，對流換熱量Q和對流換熱面積F及溫度差t成正比。 Q在單位時間內，壁面面積和流體之間的對 流換熱量； t壁面的平

3、均溫度和流體的平均溫度之差； 沿F的平均對流換熱系數(shù)。 我們稱：1/(F)為對流換熱的熱阻7影響對流換熱系數(shù)的因素流體的物性 ：， Cp、：、Cp，流體載熱能力，。 ：，邊界層的厚度，熱阻，。流體的速度 w：w，層流底層厚度，熱阻，導熱；且流體內相對位移加劇，對流，。壁面的幾何尺寸、形狀和位置8常用的對流換熱準則流體運動相似準則雷諾準則： 表示流體的慣性力與粘滯阻力的比值，用Re可以推測流體的運動狀態(tài)。Re大說明慣性力大，流態(tài)往往呈紊流；Re小說明內摩擦力大，流態(tài)往往呈層流。 9葛拉曉夫準則： （gt）是單位質量流體的浮升力，因此Gr準則是表征流體所受浮升力大小對換熱影響的準則。Gr大，說明浮

4、升力大，流體自由流動激烈，自然對流換熱較強；Gr小，則自然對流換熱較弱。因此Gr是研究自然對流換熱的重要準則。10熱相似準則普蘭特準則： （a為導溫系數(shù)） Pr是由流體重要的物性量組成，是一個表征流體物性對流體內部溫度場影響的準則。 Pr大，則表示為粘性大而導溫能力弱的流體；Pr小，則表示為粘性小而導溫能力強的流體。一般Pr近似是個常數(shù)。11努謝爾準則： Nu中既包括了對流換熱系數(shù)又包含了導熱系數(shù)，表示邊界層的導熱熱阻與對流換熱熱阻的比值。由于包含對流換熱系數(shù)，故稱Nu為待定準數(shù)。在計算過程中，只要求出Nu準數(shù)，即可計算對流換熱系數(shù)。 12對流換熱準則方程各準則Re、Gr、Pr、Nu之間具有以

5、下關系式： F(Nu，Pr，Gr，Re)=0 即 Nu=f(Re，Pr，Gr)自然對流換熱中，Gr起主要作用，而Re可忽略不計，則可得： Nu=f(Gr，Pr)受迫對流換熱中，一般自然對流很弱，可忽略不計，Gr不必考慮， Re起主要作用，則可得： Nu=f(Re，Pr) 13定性溫度和定性尺寸定性溫度： 決定準數(shù)中物理參數(shù)數(shù)值大小的溫度。 流體與壁面的平均溫度；即t=(tw+ tf)/2 固體壁面的溫度tw。 流體的平均溫度tf。定性尺寸：對流體流動有決定意義的固體壁面與流體相接觸的幾何尺寸。 流體沿垂直壁自然換熱時，取壁的高度。 當流體橫向掠過圓柱管時，取圓柱的外徑。 當流體縱向掠過圓柱管時，取流動方向管壁 的長度。 14計算方法： a）查各種條件下的準數(shù)方程，計算出Nu。 b）利用 ，計算出。 c）利用牛頓冷卻定律計算出Q或q。 15無限空間中的自然對流換熱 準則方程：Num=C(GrPr