傳熱學(xué)對(duì)流換熱的理論基礎(chǔ)

（優(yōu)選）傳熱學(xué)第章對(duì)流換熱的理論基礎(chǔ)本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分

2.對(duì)流換熱（Convectionheattransfer）:流體流過另一個(gè)物體表面時(shí)，

對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞現(xiàn)象。1.對(duì)流（Convection）：是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞現(xiàn)象。平壁表面的傳熱機(jī)理5.1對(duì)流傳熱概說(shuō)5.1.1對(duì)流傳熱的基本概念和計(jì)算公式本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分

3.牛頓冷卻公式（Newton’slawofcooling）式中：tw—固體表面的平均溫度。tf—流體溫度。外部繞流（外掠平板，圓管）tf

為流體的主流溫度。

內(nèi)部流動(dòng)（各種形狀槽道內(nèi)的流動(dòng)）tf

為流體的平均溫度。d管內(nèi)流動(dòng)tfh—固體表面的平均表面換熱系數(shù)。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分

4.局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)局部對(duì)流換熱時(shí)局部熱流密度：整個(gè)換熱物體表面的總對(duì)流換熱量：平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：tw-tf=Const對(duì)流換熱的核心問題本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分問題

牛頓冷卻公式只是對(duì)對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的一個(gè)定義式，它沒有揭示出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與影響它的有關(guān)物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。對(duì)流傳熱的主要任務(wù)：揭示這種內(nèi)在的聯(lián)系。

學(xué)習(xí)內(nèi)容：對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ)，旨在揭示對(duì)流傳熱過程的物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述方法以及進(jìn)行試驗(yàn)研究的基本原則。首先從對(duì)流傳熱物理過程的角度，定性的分析對(duì)流傳熱的影響因素，然后較深入的討論對(duì)流傳熱的數(shù)學(xué)描述，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出邊界層類型問題的簡(jiǎn)化方程，簡(jiǎn)述其積分解法和比擬理論的概念。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分研究目的：

計(jì)算在各種不同條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1.介紹影響對(duì)流傳熱的因素，確定對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的幾種方法及這些方法的介紹，理解物理機(jī)制。2.具體介紹目前工程計(jì)算中較常用的幾種類型情況下確定h的計(jì)算公式。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分歸納起來(lái)，主要有以下五方面：

流動(dòng)的成因（自然對(duì)流,強(qiáng)制對(duì)流）

流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)（層流,紊流）

換熱時(shí)物體有無(wú)相變（沸騰,凝結(jié)）

流體的物性（導(dǎo)熱系數(shù),粘度,密度,比熱容等）

換熱表面的幾何因素對(duì)流換熱是流體的導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種基本方式共同作用的結(jié)果。因此凡是影響流體導(dǎo)熱和對(duì)流的因素都將對(duì)對(duì)流換熱產(chǎn)生影響。5.1.2對(duì)流傳熱的影響因素本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分1.流動(dòng)的起因——強(qiáng)迫對(duì)流，自然對(duì)流。流動(dòng)的起因不同，流體內(nèi)的速度分布，溫度分布不同，對(duì)流換熱的規(guī)律也不同。強(qiáng)迫對(duì)流空氣h：自然對(duì)流自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部的密度差產(chǎn)生的流動(dòng)。強(qiáng)迫對(duì)流：流體在泵，風(fēng)機(jī)或其他外部動(dòng)力作用下產(chǎn)生的流動(dòng)。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分2.流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)——層流流動(dòng)，湍流流動(dòng)。層流(Laminarflow)：流速緩慢；沿軸線或平行于壁面作規(guī)則分層流動(dòng)；熱量傳遞：主要靠導(dǎo)熱（垂直于流動(dòng)方向）本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分湍流(Turbulentflow)：流體內(nèi)部存在強(qiáng)烈脈動(dòng)和旋渦運(yùn)動(dòng)；各部分流體之間迅速混合；熱量傳遞：主要靠對(duì)流。湍流邊界層層流底層：導(dǎo)熱湍流核心區(qū)：對(duì)流導(dǎo)熱對(duì)流本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分3.流體有無(wú)相變FluidmotioninducedbyvapourbubblesgeneratedatthebottomofapanofboilingwaterCondensationofwatervapourontheoutersurfaceofacoldwaterpipe有相變——沸騰換熱，凝結(jié)換熱。流體發(fā)生相變時(shí)的換熱規(guī)律及強(qiáng)度和單相流體不同。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分4.流體的熱物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流換熱的強(qiáng)弱有非常大的影響。密度和比熱容：體積熱容：?jiǎn)挝惑w積流體熱容量的大小。導(dǎo)熱系數(shù)λ：影響流體內(nèi)部的熱量傳遞過程和溫度分布；λ越大，導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流換熱越強(qiáng)烈。常溫下：空氣水常溫下：空氣水水的換熱能力遠(yuǎn)高于空氣水的冷卻能力強(qiáng)于空氣本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分粘度μ：影響速度分布與流態(tài)（層流，湍流）；

μ越大，分子間約束越強(qiáng)，相同流速下不易發(fā)展成湍流狀態(tài)。高粘度流體（油類）多處于層流狀態(tài)，h較小。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分5.換熱表面的幾何因素?fù)Q熱表面的幾何形狀，尺寸，相對(duì)位置，表面狀態(tài)（光滑或粗糙）等。對(duì)對(duì)流換熱有顯著影響；影響流態(tài)，速度分布，溫度分布。d管內(nèi)流動(dòng)特征長(zhǎng)度本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分總結(jié)影響對(duì)流換熱的因素：定性溫度用來(lái)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度。例如：流體的平均溫度；流體與壁面溫度的算術(shù)平均值等。特征長(zhǎng)度代表幾何因素對(duì)換熱的影響。例如：管內(nèi)換熱以內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度；沿平板流動(dòng)以流動(dòng)方向的尺寸為特征長(zhǎng)度等。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分

對(duì)流換熱分類本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分5.1.3對(duì)流傳熱的研究方法1.分析法：

指對(duì)描寫某一類對(duì)流傳熱問題的偏微分方程及定解條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，從而獲得速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析解?？傻贸鼍_解或近似解。適用簡(jiǎn)單問題。采用數(shù)學(xué)分析求解的方法，有指導(dǎo)意義。2.實(shí)驗(yàn)法；

是目前的主要途徑。相似原理和量綱分析理論。3.數(shù)值法：

對(duì)對(duì)流換熱過程的特征和主要參數(shù)變化趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。應(yīng)用越來(lái)越多。4.比擬法：

利用流體動(dòng)量傳遞和熱量傳遞的相似機(jī)理，建立表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系。限制多，范圍很小。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分當(dāng)粘性流體在壁面上流動(dòng)時(shí)，由于粘性的作用，在靠近壁面處流體的流速逐漸減小；在貼壁處流體將被滯止而處于無(wú)滑移狀態(tài)（即：y=0,u=0）——無(wú)滑移邊界條件（流體力學(xué)）貼壁處極薄的流體層相對(duì)于壁面不流動(dòng)，壁面與流體間的熱量傳遞必須穿過該流體層，而穿過底部流體層的熱量傳遞方式只能是導(dǎo)熱。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分5.1.4如何從解得的溫度場(chǎng)計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)——換熱微分方程固體壁面處局部熱流密度：又由牛頓冷卻公式：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：流體的導(dǎo)熱系數(shù)不管是分析解、數(shù)值解還是實(shí)驗(yàn)法都要用這一關(guān)系。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分hx取決于流體熱導(dǎo)率、溫度差和貼壁流體的溫度梯度溫度梯度或溫度場(chǎng)取決于流體熱物性、流動(dòng)狀況（層流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。溫度場(chǎng)取決于流場(chǎng)。速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)由對(duì)流換熱微分方程組確定連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程

對(duì)流換熱過程微分方程式本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分當(dāng)y=0時(shí)，對(duì)第一類邊界條件：已知tw，求解的目的是求對(duì)第二類邊界條件：q已知，即已知的是求解的目的是求twxyu兩種的最終目的是要解出流體的溫度場(chǎng)。需要注意，這里的是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，而導(dǎo)熱問題中多數(shù)是固體的導(dǎo)熱系數(shù)。

本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分注意：上式與導(dǎo)熱問題第三類邊界條件的差別（1）導(dǎo)熱問題中，h已知，此處h為未知值。（2）導(dǎo)熱問題中，為固體導(dǎo)熱系數(shù)，此處為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。（3）導(dǎo)熱問題中，t為固體溫度，此處為流體溫度。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分5.2

對(duì)流傳熱問題的數(shù)學(xué)描述對(duì)流傳熱問題完整的數(shù)學(xué)描述：假設(shè)二維對(duì)流換熱；流體為不可壓縮，牛頓流體；物性參數(shù)為常數(shù)(溫差、壓差、流速均較低），無(wú)內(nèi)熱源；忽略粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱。對(duì)流傳熱微分方程組定解條件

+質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程能量守恒方程本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分1.連續(xù)性方程根據(jù)微元體的質(zhì)量守恒導(dǎo)出。設(shè)速度分布：二維流動(dòng)：5.2.1對(duì)流傳熱的微分方程組1823年,Navier(法)1845年,Stokes(英)根據(jù)微元體的動(dòng)量守恒導(dǎo)出。2.動(dòng)量微分方程（Navier-Stokes方程）慣性力體積力壓力梯度粘性力本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分x方向：y方向：說(shuō)明只有重力場(chǎng)作用時(shí)強(qiáng)迫對(duì)流換熱：忽略重力項(xiàng)；自然對(duì)流換熱：浮升力起重要作用。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分3.能量微分方程根據(jù)微元體的能量守恒導(dǎo)出。非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)若流體靜止：導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱項(xiàng)幾點(diǎn)討論：本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分對(duì)流換熱微分方程組：含有未知量：適用條件：自然對(duì)流，強(qiáng)迫對(duì)流換熱；層流，湍流換熱。(對(duì)于常物性時(shí)，可以先求速度場(chǎng)，再求溫度場(chǎng)）本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分1.幾何條件：對(duì)流換熱表面的幾何形狀，尺寸，壁面與流體的相對(duì)位置，壁面粗糙度。2.物理?xiàng)l件：流體的物理性質(zhì)（ρсλα）,有無(wú)內(nèi)熱源。3.時(shí)間條件：對(duì)流換熱過程進(jìn)行的時(shí)間上的特點(diǎn)。

穩(wěn)態(tài)換熱：無(wú)初始條件

非穩(wěn)態(tài)換熱：初始時(shí)刻的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。5.2.1對(duì)流傳熱的定解條件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分4.邊界條件：說(shuō)明對(duì)流換熱邊界上的狀態(tài)（邊界上速度分布，溫度分布及與周圍環(huán)境之間的相互作用）。第一類邊界條件：恒壁溫邊界條件（ConstanttempB.C）第二類邊界條件：恒熱流邊界條件（ConstantheatrateB.C）對(duì)比導(dǎo)熱的邊界條件本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分

1904年，德國(guó)科學(xué)家普朗特提出著名的邊界層概念。5.3.1流動(dòng)邊界層(Velocityboundarylayer)舉例：流體平行外掠平板的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。邊界層特點(diǎn)δ<<l5.3

邊界層對(duì)流傳熱問題的數(shù)學(xué)描寫本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分流場(chǎng)分區(qū)：邊界層區(qū)：速度梯度大，粘性力不能忽略；粘性力與慣性力處同一數(shù)量級(jí)；動(dòng)量交換的主要區(qū)域，用動(dòng)量微分方程描述。主流區(qū)：速度梯度趨于零，粘性力忽略不計(jì)；流體可近似為理想流體；用理想流體的歐拉方程描述。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分掠過平板時(shí)邊界層的形成和發(fā)展：層流邊界層過渡區(qū)湍流邊界層層流底層(Laminarsublayer)緩沖層(bufferlayer)湍流核心區(qū)(Turbulentregion)轉(zhuǎn)戾點(diǎn)湍流邊界層的三層結(jié)構(gòu)模型：外掠平板：本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分5.3.2熱邊界層(Thermalboundarylayer)

1921年，波爾豪森提出。熱邊界層厚度δt：溫度場(chǎng)分區(qū)：熱邊界層區(qū)：存在溫度梯度，發(fā)生熱量傳遞的主要區(qū)；溫度場(chǎng)由能量微分方程描述。主流區(qū)：溫度梯度不計(jì)，近似等溫流動(dòng)。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分3.熱邊界層和流動(dòng)邊界層的關(guān)系流動(dòng)中流體溫度分布受速度分布影響。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化趨勢(shì)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)導(dǎo)熱對(duì)流導(dǎo)熱導(dǎo)熱熱阻增大擾動(dòng)熱阻增大本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr定義：物理意義：流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力之比。對(duì)層流邊界層，若熱邊界層和流動(dòng)邊界層從平板前緣點(diǎn)同時(shí)發(fā)展：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，對(duì)常見流體，Pr范圍0.6—4000之間。液態(tài)金屬0.05氣體油102-103本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分邊界層特點(diǎn)邊界層厚度：δ<<l,ｘ;δt<<l,ｘ;流場(chǎng)劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū);邊界層有層流邊界層和湍流邊界層,湍流邊界層分為層流底層,緩沖層和湍流核心區(qū)三層。層流邊界層和層流底層，熱量傳遞主要靠導(dǎo)熱。湍流邊界層的主要熱阻在層流底層。本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第47頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分5.3.3邊界層內(nèi)對(duì)流換熱微分方程組的簡(jiǎn)化

分析對(duì)象：常物性，無(wú)內(nèi)熱源，不可壓縮牛頓流體，二維對(duì)流換熱：對(duì)流換熱微分方程組本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第48頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分對(duì)穩(wěn)態(tài)，忽略重力場(chǎng)，二維強(qiáng)迫對(duì)流換熱：本文檔共63頁(yè)；當(dāng)前第49頁(yè)；編輯于星期五\22點(diǎn)41分邊界層內(nèi)簡(jiǎn)化對(duì)流換熱方程組介紹：首先確定：從而：且：連續(xù)性方程：