傳熱學(xué)-第5章+對流換熱的理論基礎(chǔ).ppt

傳熱學(xué) 第5章對流換熱的理論基礎(chǔ) 內(nèi)容要求 對流換熱概說 對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描述 邊界層對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描寫 流體外掠平板傳熱層流分析解及比擬理論 第5章對流傳熱的理論基礎(chǔ) 2 對流換熱 Convectionheattransfer 流體流過另一個物體表面時 對流和導(dǎo)熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞現(xiàn)象 1 對流 Convection 是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時 冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞現(xiàn)象 平壁表面的傳熱機理 5 1對流傳熱概說 5 1 1對流傳熱的基本概念和計算公式 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 各種形狀槽道內(nèi)的流動 tf為流體的平均溫度 tf h 固體表面的平均表面換熱系數(shù) 4 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 局部對流換熱時局部熱流密度 整個換熱物體表面的總對流換熱量 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) tw tf Const 對流換熱的核心問題 歸納起來 主要有以下五方面 流動的成因 自然對流 強制對流 流動的流動狀態(tài) 層流 紊流 換熱時物體有無相變 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 對流換熱是流體的導(dǎo)熱和熱對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)熱和對流的因素都將對對流換熱產(chǎn)生影響 5 1 2對流傳熱的影響因素 1 流動的起因 強迫對流 自然對流 流動的起因不同 流體內(nèi)的速度分布 溫度分布不同 對流換熱的規(guī)律也不同 自然對流 由于流體內(nèi)部的密度差產(chǎn)生的流動 強迫對流 流體在泵 風(fēng)機或其他外部動力作用下產(chǎn)生的流動 2 流動的流動狀態(tài) 層流流動 湍流流動 層流 Laminarflow 流速緩慢 沿軸線或平行于壁面作規(guī)則分層流動 熱量傳遞 主要靠導(dǎo)熱 垂直于流動方向 湍流 Turbulentflow 流體內(nèi)部存在強烈脈動和旋渦運動 各部分流體之間迅速混合 熱量傳遞 主要靠對流 導(dǎo)熱 對流 3 流體有無相變 Fluidmotioninducedbyvapourbubblesgeneratedatthebottomofapanofboilingwater Condensationofwatervapourontheoutersurfaceofacoldwaterpipe 有相變 沸騰換熱 凝結(jié)換熱 流體發(fā)生相變時的換熱規(guī)律及強度和單相流體不同 4 流體的熱物理性質(zhì) 對對流換熱的強弱有非常大的影響 密度和比熱容 體積熱容 單位體積流體熱容量的大小 導(dǎo)熱系數(shù) 影響流體內(nèi)部的熱量傳遞過程和溫度分布 越大 導(dǎo)熱熱阻越小 對流換熱越強烈 水的換熱能力遠(yuǎn)高于空氣 水的冷卻能力強于空氣 粘度 影響速度分布與流態(tài) 層流 湍流 越大 分子間約束越強 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 對自然對流換熱有很大影響 影響重力場中因密度差而產(chǎn)生的浮升力大小 體積膨脹系數(shù) 5 換熱表面的幾何因素 換熱表面的幾何形狀 尺寸 相對位置 表面狀態(tài) 光滑或粗糙 等 對對流換熱有顯著影響 影響流態(tài) 速度分布 溫度分布 特征長度 對強迫對流換熱 對自然對流換熱 浮升力項包含的因子 5 1 3對流傳熱的研究方法 1 分析法 指對描寫某一類對流傳熱問題的偏微分方程及定解條件進行數(shù)學(xué)求解 從而獲得速度場和溫度場的分析解 可得出精確解或近似解 適用簡單問題 2 數(shù)值法 對對流換熱過程的特征和主要參數(shù)變化趨勢作出預(yù)測 3 實驗法 相似原理和量綱分析理論 4 比擬法 利用流體動量傳遞和熱量傳遞的相似機理 建立表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系 5 1 4如何從解得的溫度場計算表面?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) 5 2對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描述 對流傳熱問題完整的數(shù)學(xué)描述 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 5 2 1對流傳熱的微分方程組 根據(jù)微元體的動量守恒導(dǎo)出 2 動量微分方程 Navier Stokes方程 x方向 y方向 強迫對流換熱 忽略重力項 自然對流換熱 浮升力起重要作用 3 能量微分方程 根據(jù)微元體的能量守恒導(dǎo)出 若流體靜止 或 導(dǎo)熱微分方程 對流換熱微分方程組 含有未知量 適用條件 自然對流 強迫對流換熱 層流 湍流換熱 1 幾何條件 對流換熱表面的幾何形狀 尺寸 壁面與流體的相對位置 壁面粗糙度 2 物理條件 流體的物理性質(zhì) 有無內(nèi)熱源 3 時間條件 對流換熱過程進行的時間上的特點 穩(wěn)態(tài)換熱 無初始條件非穩(wěn)態(tài)換熱 初始時刻的速度場和溫度場 5 2 1對流傳熱的定解條件 4 邊界條件 說明對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 1904年 德國科學(xué)家普朗特提出著名的邊界層概念 5 3 1流動邊界層 Velocityboundarylayer 舉例 流體平行外掠平板的強迫對流換熱 邊界層特點 l 5 3邊界層對流傳熱問題的數(shù)學(xué)描寫 流場分區(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 動量交換的主要區(qū)域 用動量微分方程描述 主流區(qū) 速度梯度趨于零 粘性力忽略不計 流體可近似為理想流體 用理想流體的歐拉方程描述 掠過平板時邊界層的形成和發(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 湍流邊界層的三層結(jié)構(gòu)模型 外掠平板 5 3 2熱邊界層 Thermalboundarylayer 1921年 波爾豪森提出 熱邊界層厚度 t 溫度場分區(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) 溫度場由能量微分方程描述 主流區(qū) 溫度梯度不計 近似等溫流動 3 熱邊界層和流動邊界層的關(guān)系 流動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 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 導(dǎo)熱 對流 導(dǎo)熱 導(dǎo)熱熱阻增大 擾動 熱阻增大 普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr 定義 物理意義 流體的動量擴散能力與熱量擴散能力之比 對層流邊界層 若熱邊界層和流動邊界層從平板前緣點同時發(fā)展 當(dāng)時 當(dāng)時 當(dāng)時 對常見流體 Pr范圍0 6 4000之間 液態(tài)金屬0 05氣體0 6 0 8油102 103 邊界層特點 邊界層厚度 l t l 流場劃分為邊界層區(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 5 3 3邊界層內(nèi)對流換熱微分方程組的簡化 分析對象 常物性 無內(nèi)熱源 不可壓縮牛頓流體 二維對流換熱 對流換熱微分方程組 對穩(wěn)態(tài) 忽略重力場 二維強迫對流換熱 邊界層內(nèi)簡化對流換熱方程組介紹 首先確定 從而 且 連續(xù)性方程 數(shù)量級分析 動量微分方程 可忽略 能量微分方程 邊界層內(nèi)對流換熱微分方程組 邊界層外伯努利方程 未知數(shù) t 可求溫度分布 換熱方程 求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 2 對流換熱邊界層微分方程組是否適用于粘度很大的油和Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬 在流體溫度邊界層中 何處溫度梯度的絕對值最大 為什么 5 4流體外掠等溫平壁層流對流傳熱分析解簡介 邊界層傳熱微分方程組 適用于符合邊界層性質(zhì)場合 簡單情況 不適于管內(nèi)流動 對外掠等溫平壁層流對流換熱 2 摩擦系數(shù) 局部摩擦系數(shù) 平均摩擦系數(shù) 5 4 1速度場求解結(jié)果 1 流