《對(duì)流換熱原理》課件

對(duì)流換熱原理對(duì)流換熱是一種常見的傳熱方式,通過流體的流動(dòng)來傳輸熱量。本節(jié)課將深入探討對(duì)流換熱的基本原理和規(guī)律,幫助您更好地理解這一熱傳遞機(jī)制。對(duì)流換熱的概念熱量傳遞的機(jī)制對(duì)流換熱是指通過流體（液體或氣體）的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。這種方式是熱量傳遞最常見和最重要的形式之一。與其他換熱方式的區(qū)別對(duì)流換熱有別于熱傳導(dǎo)和輻射換熱,它包含了流體的流動(dòng)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過程。這使得對(duì)流換熱的機(jī)理更為復(fù)雜,但傳熱效率也更高。對(duì)流換熱的分類根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的方式,對(duì)流換熱可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。這兩種機(jī)制各有獨(dú)特的物理特點(diǎn)和工程應(yīng)用。對(duì)流換熱的分類自然對(duì)流由溫度差引起的密度差而產(chǎn)生的流動(dòng)對(duì)流換熱現(xiàn)象。強(qiáng)制對(duì)流通過外部施加的壓力差或泵送等方式產(chǎn)生的流動(dòng)對(duì)流換熱現(xiàn)象?；旌蠈?duì)流既有自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)也有強(qiáng)制對(duì)流驅(qū)動(dòng)的混合換熱過程。沸騰與凝結(jié)對(duì)流相變過程中的相界面換熱屬于特殊類型的對(duì)流換熱。自然對(duì)流自然對(duì)流是在溫度梯度作用下引起的流體的流動(dòng),不需要外部力的作用。當(dāng)溫度差在重力作用下形成浮力差時(shí),溫度較高的流體上升,溫度較低的流體下降,從而形成自然對(duì)流循環(huán)。自然對(duì)流在工程應(yīng)用中普遍存在,如太陽能集熱系統(tǒng)、建筑物采光和散熱等。自然對(duì)流的物理機(jī)制1溫度差引起溫度差導(dǎo)致流體密度差異2浮力作用較輕流體上浮帶動(dòng)流動(dòng)3巴羅米特負(fù)壓壓力差引發(fā)自然對(duì)流循環(huán)自然對(duì)流的物理機(jī)制是基于溫度差引起的流體密度差異。溫度高的流體密度低,在重力作用下產(chǎn)生浮力,較輕的流體上浮帶動(dòng)整個(gè)流體循環(huán)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)溫度差還會(huì)造成壓力差,形成巴羅米特負(fù)壓效應(yīng),進(jìn)一步推動(dòng)自然對(duì)流的產(chǎn)生。自然對(duì)流的傳熱系數(shù)10-1000W/(m2·K)自然對(duì)流傳熱系數(shù)的典型范圍0.001-0.1m自然對(duì)流換熱時(shí)的邊界層厚度10-100℃自然對(duì)流換熱時(shí)的溫度差自然對(duì)流換熱的傳熱系數(shù)主要取決于溫度差和流體特性。它通常在10-1000W/(m2·K)之間,邊界層厚度為0.001-0.1m,溫度差為10-100℃。換熱效率較低,但應(yīng)用廣泛,如建筑物供暖、太陽能熱利用等。強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流是指通過外加的機(jī)械力作用造成流體在物體表面或管道內(nèi)運(yùn)動(dòng),從而促進(jìn)對(duì)流傳熱過程的一種換熱方式。與自然對(duì)流相比,強(qiáng)制對(duì)流可以顯著提高傳熱效率。強(qiáng)制對(duì)流廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域,如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)、散熱器等,是非常重要的換熱方式之一。強(qiáng)制對(duì)流的物理機(jī)制1流體流動(dòng)通過外部作用力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)2邊界層薄膜流體與固體表面形成邊界層3溫度梯度邊界層內(nèi)存在溫度梯度4對(duì)流換熱溫度梯度導(dǎo)致熱量從高溫向低溫傳遞強(qiáng)制對(duì)流換熱是通過外部裝置如風(fēng)扇或泵強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng),使流體與物體表面產(chǎn)生邊界層,從而形成溫度梯度,導(dǎo)致熱量從高溫向低溫傳遞的過程。這種方式可以顯著提高換熱效率,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)主要影響因素流體流速、流體性質(zhì)、表面形狀等計(jì)算公式Nu=C(Re)^m(Pr)^nNu無量綱的努塞爾數(shù),表示對(duì)流傳熱強(qiáng)度Re無量綱的雷諾數(shù),表示流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Pr無量綱的普朗特?cái)?shù),表示流體熱傳導(dǎo)性能C,m,n與流動(dòng)形式和幾何形狀有關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù)對(duì)流換熱的邊界層理論1邊界層概念邊界層是流體與固體表面之間的一個(gè)過渡層,在這里流體的速度和溫度發(fā)生迅速變化。2邊界層流動(dòng)類型邊界層流動(dòng)分為層流和湍流兩種,這決定了流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱方式。3邊界層換熱機(jī)制邊界層內(nèi)流體的流動(dòng)和溫度梯度變化決定了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱程度。4邊界層理論應(yīng)用邊界層理論為計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)提供了重要依據(jù),是對(duì)流換熱分析的基礎(chǔ)。邊界層流動(dòng)類型層流邊界層流動(dòng)平穩(wěn)、有序,流線型排列,具有很高的層流穩(wěn)定性。湍流邊界層流動(dòng)紊亂,出現(xiàn)大小漩渦,熱量和動(dòng)量傳遞強(qiáng)烈,具有較高的傳熱和阻力特性。過渡流動(dòng)由層流過渡到湍流,是一個(gè)復(fù)雜的過程,受諸多因素影響。邊界層換熱方程邊界層流動(dòng)分析基于流體邊界層理論,可以對(duì)對(duì)流換熱過程進(jìn)行分析,建立相應(yīng)的換熱方程。動(dòng)量邊界層方程描述邊界層內(nèi)流體流動(dòng)的微分方程,包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。能量邊界層方程描述邊界層內(nèi)溫度分布的微分方程,可用于計(jì)算對(duì)流換熱過程中的熱傳遞。邊界層換熱問題的求解1邊界層方程組求解通過數(shù)值計(jì)算解決邊界層方程組,確定流動(dòng)和溫度場(chǎng)的分布。利用相似解法可簡(jiǎn)化計(jì)算。2逐步逼近法將問題分步求解,先求出流速分布,再計(jì)算溫度分布,利用迭代方法逐步逼近精確解。3試探法采用合理的試探函數(shù),將問題轉(zhuǎn)化為線性方程組,通過求解獲得近似解。管內(nèi)流動(dòng)的邊界層理論邊界層形成當(dāng)流體沿管壁流動(dòng)時(shí),由于管壁的粘滯作用,流體與管壁之間會(huì)形成一層邊界層。管內(nèi)邊界層的產(chǎn)生與發(fā)展,對(duì)流動(dòng)阻力和傳熱性能有重要影響。邊界層厚度邊界層厚度隨流動(dòng)位置的增加而不斷增大。對(duì)于管內(nèi)流動(dòng),在進(jìn)口處邊界層很薄,隨著流程的發(fā)展逐步增厚直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。邊界層類型管內(nèi)流動(dòng)的邊界層可分為層流邊界層和湍流邊界層兩種。邊界層類型的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于流動(dòng)條件,如雷諾數(shù)等。邊界層影響管內(nèi)邊界層的發(fā)展直接影響流體阻力和傳熱性能。合理控制邊界層,可以降低阻力并提高傳熱效率。管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)主要取決于流體性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)。一般而言，流體的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性質(zhì)越好，傳熱系數(shù)越高。同時(shí)，湍流狀態(tài)下的傳熱系數(shù)也明顯高于層流狀態(tài)。湍流邊界層換熱1復(fù)雜流動(dòng)湍流邊界層中存在復(fù)雜的流動(dòng)模式2擾動(dòng)傳播湍流擾動(dòng)快速傳播,提高傳熱效率3溫度波動(dòng)溫度在湍流邊界層內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)相比于層流邊界層,湍流邊界層內(nèi)的流動(dòng)更加復(fù)雜多變。湍流中的擾動(dòng)能快速在邊界層內(nèi)傳播,提高了對(duì)流換熱的傳熱效率。同時(shí),湍流邊界層內(nèi)溫度也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的波動(dòng),進(jìn)一步改善了對(duì)流換熱的性能。湍流邊界層傳熱量公式湍流邊界層傳熱過程復(fù)雜,需要依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定傳熱系數(shù)。常用的湍流邊界層傳熱量公式包括努塞爾特公式和普蘭特朗公式。這些公式可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管道、平板等物體表面的湍流邊界層傳熱量,廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。自然對(duì)流邊界層換熱自然對(duì)流邊界層流動(dòng)在自然對(duì)流條件下,固體表面與流體間產(chǎn)生溫差,會(huì)在表面形成一層邊界層,其中流體會(huì)受浮力作用而產(chǎn)生自然對(duì)流流動(dòng)。溫度分布特點(diǎn)在自然對(duì)流邊界層內(nèi),溫度會(huì)隨距離表面的距離而逐漸降低,形成一個(gè)溫度邊界層。換熱系數(shù)計(jì)算自然對(duì)流邊界層換熱系數(shù)可通過無量綱參數(shù)如格拉斯霍夫數(shù)、普朗特?cái)?shù)等進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。自然對(duì)流邊界層傳熱量公式自然對(duì)流邊界層傳熱量可以通過牛頓冷卻定律計(jì)算得到:熱流密度:q=h(Ts-T∞)傳熱系數(shù):h=f(Gr,Pr)無量綱參數(shù):Gr=重力浮力/黏性力^2Pr=動(dòng)力粘性系數(shù)/熱擴(kuò)散系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)或理論推導(dǎo),可以得到不同幾何條件下的h值表達(dá)式,從而計(jì)算出自然對(duì)流傳熱量。自然對(duì)流換熱實(shí)例分析房間換熱在一間有窗戶的房間內(nèi),陽光照射使墻壁變熱。窗戶和墻壁之間就會(huì)形成自然對(duì)流,熱空氣上升,帶走熱量,從而使房間溫度降低。水罐加熱將裝有水的罐子加熱,水溫升高后,水面附近的水變輕,產(chǎn)生自然對(duì)流。熱量從罐底傳導(dǎo)至水面,再通過對(duì)流傳播至整個(gè)水體。電熱水器電熱水器內(nèi)部的水受加熱元件的加熱,水溫升高后,水面附近的熱水上升,帶走熱量,從而形成自然對(duì)流換熱循環(huán)。汽車散熱器汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大量熱量,散熱器利用自然對(duì)流帶走熱量。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱空氣上升,帶動(dòng)周圍空氣流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)散熱。強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)例分析空調(diào)制冷系統(tǒng)室內(nèi)空調(diào)機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī),產(chǎn)生強(qiáng)制氣流,帶走室內(nèi)熱量并傳遞到室外機(jī)進(jìn)行散熱。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量,通過水泵強(qiáng)制循環(huán)冷卻水,將熱量帶走并傳遞到散熱器進(jìn)行輻射散熱。渦輪機(jī)葉片發(fā)電廠渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的葉片與通過的空氣產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流,帶走渦輪機(jī)內(nèi)部的大量熱量。對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定方法1實(shí)驗(yàn)測(cè)量法通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量受熱表面和流體之間的溫差以及熱流密度,計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù)。2熱流計(jì)法利用已知熱流密度和溫差,按換熱公式計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù)。3能量平衡法通過測(cè)量系統(tǒng)的輸入功率和溫度變化,根據(jù)能量平衡方程求得對(duì)流傳熱系數(shù)。4積分邊界層法利用邊界層理論,通過測(cè)量速度分布和溫度分布計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)。自然對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定方法加熱板法在一個(gè)恒定溫度的加熱平面上放置試件,通過測(cè)量溫度差和熱流量來計(jì)算傳熱系數(shù)。冷卻室法將試件置于恒溫室內(nèi),通過測(cè)量試件表面溫度和周圍環(huán)境溫度來確定傳熱系數(shù)。熱線法利用細(xì)熱電偶或熱線傳感器測(cè)量溫度梯度,從而推算出自然對(duì)流傳熱系數(shù)。強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定方法風(fēng)洞試驗(yàn)在風(fēng)洞中通過控制氣流速度和溫度,測(cè)量物體表面溫度變化,從而計(jì)算出強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)。這種方法能精確模擬實(shí)際工作條件。管路試驗(yàn)法在管路中測(cè)量流體進(jìn)出口溫度差和流量,結(jié)合管壁溫度即可得出管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)。適用于管道傳熱過程的研究。熱電偶測(cè)量法利用熱電偶精確測(cè)量物體表面和流體溫度,再結(jié)合流體流速等參數(shù)計(jì)算出強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)。操作簡(jiǎn)單,適合實(shí)驗(yàn)室研究。對(duì)流換熱應(yīng)用舉例建筑物內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)利用強(qiáng)制對(duì)流,使室內(nèi)空氣更加流通并達(dá)到理想溫度濕度。如中央空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管等廣泛應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)過程許多工廠生產(chǎn)中需要通過強(qiáng)制對(duì)流來調(diào)節(jié)溫度,如金屬冶煉、玻璃制造、電子電器生產(chǎn)等。汽車散熱系統(tǒng)汽車引擎產(chǎn)生大量熱量,需要通過水泵帶動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流散熱來保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定工作。電子設(shè)備散熱高功率電子設(shè)備如CPU、顯卡等,需要通過強(qiáng)制對(duì)流散熱器或風(fēng)扇來維持正常工作溫度。影響對(duì)流換熱的重要參數(shù)1流體流向與速度流體的流向和速度是影響對(duì)流換熱的關(guān)鍵因素，確定了傳熱過程的強(qiáng)弱。2物理性質(zhì)流體的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理特性也會(huì)極大影響對(duì)流換熱。3邊界條件固體表面溫度、流體入口溫度等邊界條件的設(shè)置對(duì)對(duì)流換熱很重要。4幾何因素物體形狀、尺寸、表面粗糙度等幾何參數(shù)也會(huì)影響對(duì)流傳熱。對(duì)流換熱的熱傳導(dǎo)學(xué)分析1傳熱通路分析對(duì)流換熱過程中，熱量通過導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行傳遞。需要分析各種傳熱方式的相對(duì)重要性及其相互關(guān)系。2溫度梯度分析對(duì)流過程中存在復(fù)雜的溫度分布，需要對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，準(zhǔn)確描述溫度梯度變化。3邊界條件分析對(duì)流換熱過程中的邊界條件非常復(fù)雜，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定合適的邊界條件進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析。對(duì)流換熱的流體力學(xué)分析1邊界層分析研究對(duì)流換熱過程中流體邊界層的流動(dòng)狀態(tài)和特性2動(dòng)量傳遞分析探討流體動(dòng)量在換熱界面的傳遞機(jī)制3熱量傳遞分析分析流體熱量在換熱界面的傳遞過程對(duì)流換熱的流體力學(xué)分析集中在研究流體邊界層的特性、動(dòng)量傳遞機(jī)制和熱量傳遞過程。通過邊界層分析可以了解流體的流動(dòng)狀態(tài),動(dòng)量傳遞分析可以揭示流體動(dòng)量在換熱界面的傳遞規(guī)律,熱量傳遞分析則可以闡明熱量在換熱界面的傳遞過程。這些分析為對(duì)流換熱過程的深入理解提供了理論基礎(chǔ)。對(duì)流換熱的工程應(yīng)用制冷與空調(diào)對(duì)流換熱在制冷和空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,通過吸收和釋放熱量實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)各種生產(chǎn)工藝都需要對(duì)流換熱,如冶金、化工、石油等行業(yè)中的加熱、冷卻、蒸發(fā)等過程。汽車與航空對(duì)流傳熱在