自然對(duì)流換熱.pptx

1、6-5 6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱 的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流自然對(duì)流不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)自身溫度場(chǎng)的的不均勻不均勻所引起的流動(dòng)。所引起的流動(dòng)。不均勻溫度場(chǎng)不均勻溫度場(chǎng)造成了造成了不均勻密度場(chǎng)不均勻密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的，由此產(chǎn)生的浮升力浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。在各種對(duì)流傳熱方式中，自然對(duì)流傳熱的在各種對(duì)流傳熱方式中，自然對(duì)流傳熱的熱流密熱流密度最低度最低。固有的特點(diǎn)固有的特點(diǎn)安全安全、經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)、無噪聲無噪聲自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱則是流體與固體壁面之間因溫度不則是流體與固體壁面之間

2、因溫度不同引起的自然對(duì)流時(shí)發(fā)生的熱量交換過程。同引起的自然對(duì)流時(shí)發(fā)生的熱量交換過程。 （1 1）豎板（豎管）豎板（豎管）（3 3）水平板）水平板（2 2）水平管）水平管（4 4）豎直夾層）豎直夾層（5 5）橫圓管內(nèi)側(cè)）橫圓管內(nèi)側(cè)在自然界、現(xiàn)實(shí)生活、工程上，物體的自然在自然界、現(xiàn)實(shí)生活、工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對(duì)流傳熱的方式實(shí)現(xiàn)冷卻或加熱都是以自然對(duì)流傳熱的方式實(shí)現(xiàn)的。的。 一、自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn)一、自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn) 以豎直平板在空氣中自然冷卻過程進(jìn)行分析。以豎直平板在空氣中自然冷卻過程進(jìn)行分析。薄層內(nèi)的速度分布則有兩薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點(diǎn)。頭小中間大的特

3、點(diǎn)。壁面處由于粘性作用速度壁面處由于粘性作用速度為零，在薄層外緣，由于溫為零，在薄層外緣，由于溫度已均勻，速度也等于零。度已均勻，速度也等于零。在偏近熱壁處速度有一個(gè)在偏近熱壁處速度有一個(gè)峰值峰值邊界層速度分布曲線邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線邊界層溫度分布曲線tx0y這種流體速度變化的區(qū)域相對(duì)于流體沿著平板上升這種流體速度變化的區(qū)域相對(duì)于流體沿著平板上升方向（圖中的方向（圖中的x x方向）的尺度是很薄的，因而可以稱方向）的尺度是很薄的，因而可以稱之為自然對(duì)流的之為自然對(duì)流的速度邊界層速度邊界層。 tw與速度邊界層同時(shí)存在與速度邊界層同時(shí)存在的還有溫度發(fā)生顯著變的還有溫度發(fā)生顯著變化的薄

4、層，也就是溫度化的薄層，也就是溫度從從t tw w逐步變化到環(huán)境溫逐步變化到環(huán)境溫度度t t熱邊界層。熱邊界層。 熱邊界層的厚度也是隨著流動(dòng)方向上尺寸熱邊界層的厚度也是隨著流動(dòng)方向上尺寸(x)的增大而逐漸增大，因而豎直平板的換熱性的增大而逐漸增大，因而豎直平板的換熱性能也就會(huì)從平板底部開始隨著能也就會(huì)從平板底部開始隨著x的增大而逐漸的增大而逐漸減弱。減弱。 邊界層速度分布曲線邊界層速度分布曲線邊界層溫度分布曲線邊界層溫度分布曲線tx0ytw從豎直平板的底部開始發(fā)展的從豎直平板的底部開始發(fā)展的自然對(duì)流邊界層，除邊界層厚自然對(duì)流邊界層，除邊界層厚度逐步增大之外，其邊界層中度逐步增大之外，其邊界層中

5、的慣性力相對(duì)于黏性力也會(huì)逐的慣性力相對(duì)于黏性力也會(huì)逐步增大，從而導(dǎo)致邊界層中的步增大，從而導(dǎo)致邊界層中的流動(dòng)失去穩(wěn)定，而由層流流動(dòng)流動(dòng)失去穩(wěn)定，而由層流流動(dòng)變化到紊流流動(dòng)。變化到紊流流動(dòng)。如受迫對(duì)流的邊界層從層流變?yōu)槲闪魅Q于無量綱如受迫對(duì)流的邊界層從層流變?yōu)槲闪魅Q于無量綱準(zhǔn)則雷諾數(shù)準(zhǔn)則雷諾數(shù)Re一樣，自然對(duì)流邊界層從層流變?yōu)槲梢粯?，自然?duì)流邊界層從層流變?yōu)槲闪饕踩Q于一個(gè)流也取決于一個(gè)無量綱準(zhǔn)則數(shù)無量綱準(zhǔn)則數(shù)格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)Gr。 紊流流動(dòng)狀態(tài)紊流流動(dòng)狀態(tài)層流流動(dòng)狀態(tài)層流流動(dòng)狀態(tài)x0y自然對(duì)流的流動(dòng)特征自然對(duì)流的流動(dòng)特征熱豎壁為例：熱豎壁為例：溫度和速度分布溫度和速度分布溫度不均溫度不

6、均 密度不均密度不均 速度分布速度分布 xhx(1)不均勻的溫度場(chǎng)只是在壁面附近的不均勻的溫度場(chǎng)只是在壁面附近的薄層內(nèi)。薄層內(nèi)。(2)速度場(chǎng)先增大后減小，與溫度場(chǎng)的速度場(chǎng)先增大后減小，與溫度場(chǎng)的邊界層基本重合。邊界層基本重合。(3) 流動(dòng)狀態(tài)也有層流和湍流之分。流動(dòng)狀態(tài)也有層流和湍流之分。(4) 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化如圖所局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化如圖所示。示。二、二、 自然對(duì)流傳熱的控制方程自然對(duì)流傳熱的控制方程 大空間條件下的豎板自然對(duì)流換熱是屬于邊界層大空間條件下的豎板自然對(duì)流換熱是屬于邊界層流動(dòng)換熱的類型。前面導(dǎo)出的邊界層流動(dòng)換熱的流動(dòng)換熱的類型。前面導(dǎo)出的邊界層流動(dòng)換熱的微分方程組在這

7、里也應(yīng)該是適用的。微分方程組在這里也應(yīng)該是適用的。 自然對(duì)流換熱的微分方程組的形式如下：自然對(duì)流換熱的微分方程組的形式如下： 22220 xpuxyuudpuuFxydxycuxyy；式中式中g(shù)Fx動(dòng)量方程中的壓力梯度，按其在動(dòng)量方程中的壓力梯度，按其在y方向上變化方向上變化的特征，在邊界層外部可以求出的特征，在邊界層外部可以求出gdxdp于是動(dòng)量方程變?yōu)橛谑莿?dòng)量方程變?yōu)?2uuuugxyy為了將方程中的密度差用溫度差來表示，引為了將方程中的密度差用溫度差來表示，引入體積膨脹系數(shù)入體積膨脹系數(shù) 11VpTTT 體積膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體為其體積膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體為其絕對(duì)溫度值的絕對(duì)溫度值的倒數(shù)

8、倒數(shù)，即，即v=1/T，大多數(shù)一般，大多數(shù)一般氣體氣體可利用此式?？衫么耸健?11VpTTT T/22220Vpuxyuuuugxyycuxyy ；。三、三、 大空間與有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式大空間與有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式均勻壁溫下的準(zhǔn)則方程式：均勻壁溫下的準(zhǔn)則方程式： (Pr)nmmNuC Gr（6-376-37） 式中式中 C C、n n查表（查表（6-106-10） 23020VVgtl u lgtlGru格拉曉夫準(zhǔn)則格拉曉夫準(zhǔn)則 （6-346-34） V體積膨脹系數(shù)（體積膨脹系數(shù)（ 1K），）， 理想氣體有理想氣體有 1VT定性溫度：定性溫度： 2wmttt特征長(zhǎng)度

9、：特征長(zhǎng)度： lHl豎壁或豎圓柱的高度豎壁或豎圓柱的高度 d d 水平放置圓柱（橫圓柱）的外徑水平放置圓柱（橫圓柱）的外徑 水平壁的長(zhǎng)度水平壁的長(zhǎng)度 使用范圍：使用范圍： Gr決定量見決定量見表表6-106-10表表6-12 6-12 式（式（6-376-37）中的常數(shù)）中的常數(shù)C C和和n n 1 1、給定常壁溫、給定常壁溫 wt用式（用式（6-376-37）式中）式中C C、n n查表查表6-106-10 說明：（說明：（1 1）豎圓柱）豎圓柱 1 435HdHGr限制限制d d不能相對(duì)太細(xì)，不能相對(duì)太細(xì)， 否則邊界層與直徑相比不能忽視！否則邊界層與直徑相比不能忽視！（2 2）液體換熱溫差

10、大時(shí)，用式）液體換熱溫差大時(shí)，用式PrnNuC Gr2 2、給定常熱流密度、給定常熱流密度q qwt未知未知 t未知未知 引入新的準(zhǔn)則數(shù)引入新的準(zhǔn)則數(shù) 42VrgqlGGrNu準(zhǔn)則方程準(zhǔn)則方程PrmNuB Gr（6-386-38） wttt Gr物性修正因子物性修正因子 （6-436-43） （6-446-44） 平板的平板的B B、m m見見表表 （6-116-11） 表表6-11 6-11 （6-436-43）式中）式中的的四、有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式四、有限空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1 1、準(zhǔn)則方程一般形式、準(zhǔn)則方程一般形式 PrmnHNuc Gr 這里：這里： 32VgtGr

11、hNu特征長(zhǎng)度特征長(zhǎng)度： 定性溫度定性溫度： 1212273wwmVmtttt， 12wwttt 2 2、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 （1）豎空氣夾層（常壁溫）豎空氣夾層（常壁溫） 1 91 40.197PrHNuGr （6-46a6-46a） 適用范圍：適用范圍： 358.6 10 2.9 10Gr11 42H 1 91 30.073PrHNuGr （6-46b6-46b） 適用范圍：適用范圍： 572.9 10 1.6 10Gr11 42H（2）水平空氣夾層（常壁溫）水平空氣夾層（常壁溫） 1 40.212PrNuGr （6-47a6-47a） 適用范圍：適用范圍： 451 10 4.6 10Gr 與 H無關(guān) 1 30.061PrNuGr （6-47b6-47b） 適用范圍：適用范圍： 54.6 10Gr對(duì)流換熱計(jì)算的一般步驟：對(duì)流換熱計(jì)算的一般步驟：1、首先判斷是哪一類換熱；（強(qiáng)制對(duì)流、首先判斷是哪一類換熱；（強(qiáng)制對(duì)流or自然對(duì)自然對(duì)流？圓管流？圓管or平板？管內(nèi)平板？管內(nèi)or管