傳熱學(xué)對(duì)流換熱課件

第六章對(duì)流換熱本章教學(xué)內(nèi)容6-0有關(guān)概念6-1牛頓冷卻公式和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)6-2影響對(duì)流換熱的主要因素6-3對(duì)流換熱微分方程組6-4對(duì)流換熱的無(wú)量綱準(zhǔn)則6-5自然對(duì)流換熱的計(jì)算6-6強(qiáng)制對(duì)流換熱的計(jì)算自然界中的種種對(duì)流現(xiàn)象強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流電子器件冷卻沸騰換熱原理空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器動(dòng)物的身體散熱對(duì)流換熱：工程上流體流過(guò)一物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程。1)暖氣管道；2)電子器件冷卻；3)內(nèi)燃機(jī)氣缸、活塞的冷卻。對(duì)流換熱的實(shí)例流體的宏觀運(yùn)動(dòng)+微觀的導(dǎo)熱，導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差由于流體的粘性和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對(duì)流換熱的機(jī)理與通過(guò)緊靠換熱面的薄膜層的熱傳導(dǎo)有關(guān)。

對(duì)流換熱的特點(diǎn)對(duì)流傳熱過(guò)程分類一、實(shí)際流體的粘性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（一）實(shí)際流體的粘性1、粘性是指流體流動(dòng)時(shí)流體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。體現(xiàn)流體內(nèi)摩擦力及粘性作用的實(shí)驗(yàn)由于各層流體之間的速度不同，相互間就存在著相對(duì)滑動(dòng)，即流體發(fā)生了剪切變形，于是各層之間產(chǎn)生出一種抵抗變形的力，稱為內(nèi)摩擦力或粘性力。2、牛頓內(nèi)摩擦定律流體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與沿接觸面法線方向的速度梯度成正比，與接觸面的面積成正比，并與流體的物理性質(zhì)有關(guān)。

3、表示流體粘性大小的物性指標(biāo)動(dòng)力粘度μ，單位kg/(ms)運(yùn)動(dòng)粘度ν，單位m2/s

粘性是流體的一種物理屬性，μ或ν的大小與流體種類有關(guān)。對(duì)同一流體，其值又隨溫度而異。（二）實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)1、雷諾實(shí)驗(yàn)1883年，雷諾在有水流動(dòng)的玻璃管進(jìn)口處注入有顏色的液體后發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。3、臨界速度兩種流動(dòng)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換時(shí)的流體流動(dòng)速度。

——臨界速度

——管道直徑

——運(yùn)動(dòng)粘度

——臨界雷諾數(shù)4、雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re定義式：臨界雷諾數(shù)Rec：速度等于臨界速度時(shí)的雷諾數(shù)。臨界雷諾數(shù)Rec可作為判別層流、湍流的依據(jù)。Re<Rec(下):層流

Re>Rec(上):湍流

Re的值界于上、下臨界雷諾數(shù)之間時(shí)，流體處于層流到湍流的過(guò)渡狀態(tài)，這一區(qū)域稱為過(guò)渡區(qū)。5、層流底層（貼壁流體層）流體在做湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，在管壁附近形成一層流速很低的極薄的層流，稱為層流底層。層流底層的厚度隨著流速的增加（即Re增加）而減薄。層流底層湍流核心3、速度邊界層定義

把緊靠壁面、速度變化比較劇烈的流體層叫做速度（流動(dòng)）邊界層。理想流體：在速度邊界層外，速度梯度等于零，粘性力等于零。這樣的流體稱為理想流體。（二）熱邊界層（溫度邊界層）1、熱邊界層的形成原因流體流過(guò)壁面時(shí)，如果流體與壁面之間存在溫差而進(jìn)行對(duì)流換熱，沿壁面法線方向流體的溫度從壁面溫度變到主流溫度。近壁流體中溫度梯度的存在，說(shuō)明流體與壁面之間有熱量的傳遞（導(dǎo)熱）。2、熱邊界層圖，見(jiàn)下圖。3、熱邊界層定義對(duì)流換熱時(shí)壁面附近出現(xiàn)一層溫度變化比較劇烈的流體層，這一流體層叫做熱（溫度）邊界層。（四）熱邊界層厚度與熱阻的關(guān)系熱邊界層越薄，其熱阻越小，換熱越強(qiáng)。（五）邊界層的特點(diǎn)1、熱邊界層和速度邊界層的厚度很??；2、邊界層內(nèi)速度梯度和溫度梯度很大；3、引入邊界層后，流動(dòng)區(qū)域可分為邊界層區(qū)（粘性流體）和主流區(qū)（理想流體）；4、邊界層內(nèi)亦有層流和湍流兩種狀態(tài)。6-1牛頓冷卻公式和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

熱流體被冷卻：式中：Q──對(duì)流傳熱速率，W；

h

──對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Tw，tw

──熱流體，冷流體側(cè)壁溫，K或者℃；

Tf，tf──熱、冷流體平均溫度，℃；

A──傳熱面積，m2。冷流體被加熱：一、對(duì)流傳熱基本方程——牛頓冷卻定律

h只是對(duì)流換熱系數(shù)的一個(gè)定義式，它并沒(méi)有揭示與影響它的各物理量間的內(nèi)在關(guān)系，研究對(duì)流換熱的任務(wù)就是要揭示這種內(nèi)在的聯(lián)系，確定計(jì)算表面換熱系數(shù)h的表達(dá)式。影響對(duì)流換熱的因素，由newton公式轉(zhuǎn)換為影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素。h不是物性參數(shù)，是受多種因素影響的復(fù)雜函數(shù)。6-2影響對(duì)流換熱的主要因素自然對(duì)流其流動(dòng)速度除決定于受熱或冷卻的強(qiáng)度外，還與流體性質(zhì)、空間大小、換熱壁面的位置等有關(guān)。強(qiáng)制對(duì)流的速度決定于外力所產(chǎn)生的壓差、流體的性質(zhì)和流道的阻力。二、流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)層流時(shí)，熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間的導(dǎo)熱；湍流時(shí)，在緊貼壁面的層流底層之外，流體沿壁面法線方向產(chǎn)生熱對(duì)流作用而使熱傳遞增強(qiáng)。雷諾實(shí)驗(yàn)三、流體的物理性質(zhì)1、導(dǎo)熱系數(shù)λ[w/(m.℃)]

λ↑(流體內(nèi)部和流體與壁面間導(dǎo)熱熱阻?。鷋↑2、密度ρ[kg/m3]3、比熱容c[J/(kg.℃)

ρ↑、c↑(單位體積流體能攜帶更多能量）→h↑4、動(dòng)力粘度μ[N.s/m2]、運(yùn)動(dòng)粘度ν=μ/ρ[m2/s]μ↑（有礙流體流動(dòng)，不利于熱對(duì)流）→h↓5、體膨脹系數(shù)α[1/k]

α↑（自然對(duì)流換熱增強(qiáng)）→h↑四、換熱壁面的幾何尺寸、形狀及位置內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)

外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束影響到流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和溫度，從而影響對(duì)流換熱系數(shù)。五、流體有無(wú)相變（流體相變）：?jiǎn)蜗鄵Q熱Singlephaseheattransfer：

相變換熱Phasechange：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等流體相變時(shí)吸收或放出汽化潛熱比比熱容大得多，且破壞了層流底層強(qiáng)化了傳熱。前4類影響因素構(gòu)成將對(duì)流換熱進(jìn)行分類的基架，流體的物性將通過(guò)一個(gè)特殊的無(wú)量綱數(shù)來(lái)專門予以反映六、歸納七、對(duì)流換熱的分類(classification)八、研究對(duì)流換熱的方法分析解法實(shí)驗(yàn)法比擬法數(shù)值解法采用數(shù)學(xué)分析求解的方法，有指導(dǎo)意義。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算式，是目前的主要途徑。通過(guò)研究熱量傳遞與動(dòng)量傳遞的共性，建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系，限制多，范圍很小。與導(dǎo)熱問(wèn)題數(shù)值思想類似，發(fā)展迅速，應(yīng)用越來(lái)越多。1.獲得h的方法2.如何從獲得的溫度場(chǎng)來(lái)計(jì)算h無(wú)論是分析解法還是數(shù)值法首先獲得都是溫度場(chǎng)，如何由T→h？由傅里葉定律

牛頓冷卻公式

3.注意上式與導(dǎo)熱問(wèn)題IIIBC的差別(1)導(dǎo)熱問(wèn)題中，h已知，此處h為未知值(2)導(dǎo)熱問(wèn)題中，λ為固體導(dǎo)熱系數(shù)，此處λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)(3)導(dǎo)熱問(wèn)題中，t為固體溫度，此處t為流體溫度6-3對(duì)流換熱微分方程組對(duì)流換熱是流體熱對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的熱量傳遞過(guò)程。由于牽涉到質(zhì)量、動(dòng)量、熱量等的傳遞，所以需用一組微分方程式來(lái)描述。具體包括：描述對(duì)流換熱系數(shù)本質(zhì)的對(duì)流換熱方程、描述流體流動(dòng)狀態(tài)的連續(xù)性微分方程和動(dòng)量微分方程、描述流體中溫度場(chǎng)的能量微分方程。一、換熱微分方程1、導(dǎo)出

對(duì)流換熱量在壁面和流體之間傳遞時(shí)，都要通過(guò)緊貼壁面的流體層，此處流體速度為零（無(wú)對(duì)流），熱量傳遞完全依靠導(dǎo)熱。因此，由傅里葉定律與牛頓冷卻公式聯(lián)立，導(dǎo)出換熱微分方程式：從傳熱機(jī)理看，對(duì)流換熱實(shí)際上就是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的流體導(dǎo)熱。2、說(shuō)明（1）換熱微分方程式將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體的溫度場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)，表明h的求解有賴于流體溫度場(chǎng)的求解。（2）換熱微分方程中的λ

和是流體的參數(shù)而不是固體的參數(shù)；換熱微分方程式中的h為未知數(shù)。（對(duì)比導(dǎo)熱問(wèn)題的第三類邊界條件）溫度場(chǎng)特別是壁面附近的溫度分布溫度場(chǎng)受到流場(chǎng)的影響流場(chǎng)溫度場(chǎng)EnergyEq.EnergyconservationlawContinuityEq.MomentumEq.MomentumconservationlawMassconservationlaw對(duì)流換熱微分方程式二、連續(xù)性微分方程（質(zhì)量守恒方程）依據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)，凈流入微元體的質(zhì)量等于微元體內(nèi)的質(zhì)量增量。對(duì)于不可壓縮粘性流體，在穩(wěn)態(tài)、常物性場(chǎng)合下，連續(xù)性微分方程為（直接引用流體力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果）：三、動(dòng)量守恒微分方程依據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)，即作用于微元體上所有外力之和等于慣性力。對(duì)于不可壓縮粘性流體，在穩(wěn)態(tài)、常物性場(chǎng)合下，動(dòng)量守恒微分方程為（直接引用流體力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果）：

123第1項(xiàng)代表慣性力，第2項(xiàng)代表浮升力，第3項(xiàng)代表粘滯力。1.簡(jiǎn)化假設(shè)（一）能量微分方程導(dǎo)出2.基本原理Fourier導(dǎo)熱定律能量守恒定律，用于開口系統(tǒng)2D;常物性(△T不大；△P足夠小；流速較低);不可壓縮、牛頓流體；無(wú)內(nèi)熱源；不計(jì)動(dòng)能位能的變化；不計(jì)流體與壁面間的輻射換熱,不計(jì)粘性耗散四、能量微分方程外界導(dǎo)入微元體的凈熱流量熱力學(xué)內(nèi)能增量Incompressiblefluid3.討論(2)對(duì)流換熱過(guò)程中，熱量傳遞除了依靠流體流動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流項(xiàng)外，還有導(dǎo)熱引起的擴(kuò)散項(xiàng)，對(duì)流與導(dǎo)熱綜合傳遞熱量(3)u=v=0，純導(dǎo)熱方程，對(duì)流換熱能量微分方程是導(dǎo)熱微分方程的推廣（1）有內(nèi)熱源（二）2D,Constantthermophysicalproperties,Incompressible,Newtonianfluid5個(gè)方程，5個(gè)未知量—

理論上可解定解條件（以溫度場(chǎng)為例）第一類邊界條件：給定邊界流體的溫度第二類邊界條件：給