《傳熱學(xué)對(duì)流換熱》課件

傳熱學(xué)對(duì)流換熱對(duì)流換熱是熱量通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)傳遞的傳熱方式，是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的綜合體現(xiàn)。對(duì)流換熱在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中應(yīng)用廣泛，例如鍋爐、空調(diào)、散熱器等。前言：傳熱學(xué)基本概念回顧熱量傳遞熱量傳遞是熱能從高溫物體傳遞到低溫物體的過(guò)程，它可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行。溫度溫度是描述物體冷熱程度的物理量，它反映了物體內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。對(duì)流換熱概述對(duì)流換熱是指流體與固體表面之間通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。流體運(yùn)動(dòng)可以是自然對(duì)流，例如空氣對(duì)流，也可以是強(qiáng)制對(duì)流，例如風(fēng)扇或泵產(chǎn)生的流動(dòng)。對(duì)流換熱過(guò)程通常需要考慮流體性質(zhì)、流速、固體表面積、溫度差等因素的影響。對(duì)流換熱在許多工程應(yīng)用中至關(guān)重要，例如熱交換器、冷卻系統(tǒng)、鍋爐等。對(duì)流傳熱機(jī)理1流體運(yùn)動(dòng)流體流動(dòng)將熱量傳遞至固體表面。2熱量傳遞流體和固體表面之間存在溫度梯度。3對(duì)流換熱流體與固體表面之間進(jìn)行熱量交換的過(guò)程。對(duì)流換熱是流體運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。自然對(duì)流概述11.自然對(duì)流流體密度差異引起的對(duì)流，不需外力推動(dòng)。22.密度差異受熱膨脹，密度降低，向上浮動(dòng)，形成對(duì)流。33.驅(qū)動(dòng)力浮力與重力之間的差異，驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。44.例子熱氣球、暖氣片、鍋爐、太陽(yáng)能熱水器。自然對(duì)流的基本參數(shù)自然對(duì)流是指由于流體密度差而引起的流體流動(dòng)。影響自然對(duì)流換熱的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)包括：流體的熱膨脹系數(shù)流體的粘度流體的熱導(dǎo)率重力加速度溫度差這些參數(shù)共同決定了自然對(duì)流的強(qiáng)度和方向。自然對(duì)流換熱的經(jīng)驗(yàn)公式格拉斯霍夫數(shù)(Gr)格拉斯霍夫數(shù)表征浮力與粘性力的比值，用于判斷自然對(duì)流換熱的強(qiáng)度。努塞爾特?cái)?shù)(Nu)努塞爾特?cái)?shù)反映對(duì)流換熱與純導(dǎo)熱換熱的比值，表示對(duì)流換熱的效率。普朗特?cái)?shù)(Pr)普朗特?cái)?shù)表征動(dòng)量擴(kuò)散率與熱量擴(kuò)散率的比值，反映流體物性對(duì)自然對(duì)流換熱的影響。自然對(duì)流典型應(yīng)用實(shí)例分析熱氣球熱氣球利用空氣加熱后膨脹的原理上升，是一個(gè)典型的自然對(duì)流現(xiàn)象。暖氣片暖氣片依靠自然對(duì)流散熱，暖空氣上升，冷空氣下降，形成空氣循環(huán)。室內(nèi)通風(fēng)室內(nèi)自然通風(fēng)依靠溫度差異引起的空氣流動(dòng)，例如房屋開窗，熱空氣從窗戶上升，形成自然通風(fēng)。風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電利用自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)力，推動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。強(qiáng)制對(duì)流概述強(qiáng)制對(duì)流是由外力驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，如風(fēng)機(jī)、泵等。強(qiáng)制對(duì)流可提高傳熱效率，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活。管道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流、平板外強(qiáng)制對(duì)流、圓柱外強(qiáng)制對(duì)流等。管道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱1流體流動(dòng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)2熱量傳遞流體與管道壁面之間進(jìn)行熱量交換3換熱系數(shù)衡量傳熱效率的重要指標(biāo)4影響因素流體性質(zhì)、流速、管道直徑等強(qiáng)制對(duì)流換熱是指流體在機(jī)械力的作用下流動(dòng)，從而增強(qiáng)流體與固體表面之間的熱量傳遞。在管道內(nèi)，流體流動(dòng)狀態(tài)主要受流速、管道直徑、流體性質(zhì)的影響，而這些因素也會(huì)直接影響到換熱系數(shù)的大小。浴輪機(jī)葉片強(qiáng)制對(duì)流換熱概述浴輪機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，與周圍流體發(fā)生強(qiáng)烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)制對(duì)流換熱。該過(guò)程涉及復(fù)雜的流動(dòng)模式、熱傳遞機(jī)制以及葉片材料的熱性能。影響因素葉片形狀、尺寸、材料、轉(zhuǎn)速、流體性質(zhì)和工況條件等因素都會(huì)影響換熱效率，因此需要進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)和分析。應(yīng)用場(chǎng)景浴輪機(jī)葉片強(qiáng)制對(duì)流換熱廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等各種熱力設(shè)備，對(duì)設(shè)備的性能和效率至關(guān)重要。換熱器強(qiáng)制對(duì)流換熱1換熱器類型換熱器種類繁多，常見(jiàn)的包括板式換熱器、管殼式換熱器、螺旋板換熱器等。每種類型都有其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的換熱器類型取決于應(yīng)用場(chǎng)景和具體需求。2流體特性流體的物理特性如粘度、密度、比熱容、熱導(dǎo)率等會(huì)影響換熱效率，需根據(jù)具體流體特性選擇合適的換熱器設(shè)計(jì)和操作參數(shù)。3傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)是衡量換熱器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，受流體特性、換熱器結(jié)構(gòu)、流速等因素影響。提高傳熱系數(shù)可以提高換熱效率，降低能源消耗。邊界層理論在對(duì)流換熱中的應(yīng)用邊界層流體與固體表面之間的薄層區(qū)域熱阻傳熱過(guò)程中的阻力傳熱系數(shù)衡量傳熱能力的重要指標(biāo)湍流邊界層的特征湍流邊界層是指流體在固體表面流動(dòng)時(shí)，由于粘性和慣性力的相互作用，流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出不規(guī)則、隨機(jī)的波動(dòng)特征的區(qū)域。湍流邊界層通常伴隨著劇烈的混合和能量傳遞，是許多工程應(yīng)用中的關(guān)鍵因素，例如飛機(jī)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和管道中的流體流動(dòng)。1混沌速度和壓力波動(dòng)劇烈，呈現(xiàn)出無(wú)序和不可預(yù)測(cè)性。2混合流體層之間發(fā)生強(qiáng)烈混合，導(dǎo)致動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞速率顯著提高。3渦旋流體中形成大小不一的渦旋，它們不斷運(yùn)動(dòng)、碰撞和融合，形成復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)。4耗散湍流邊界層中的能量耗散很大，主要用于克服流體內(nèi)部的摩擦力和渦旋的形成。湍流對(duì)流換熱的經(jīng)驗(yàn)公式努塞爾數(shù)努塞爾數(shù)表示對(duì)流換熱能力。雷諾數(shù)雷諾數(shù)表征流體流動(dòng)狀態(tài)，湍流流動(dòng)雷諾數(shù)較大。普朗特?cái)?shù)普朗特?cái)?shù)反映熱量和動(dòng)量傳遞的相對(duì)速度。納蘇爾特?cái)?shù)和傳熱系數(shù)的計(jì)算納蘇爾特?cái)?shù)是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，表示流體動(dòng)力學(xué)條件對(duì)傳熱系數(shù)的影響。傳熱系數(shù)是反映物體表面與流體之間熱量傳遞速率的一個(gè)指標(biāo)，單位是瓦特每平方米每開爾文。納蘇爾特?cái)?shù)傳熱系數(shù)Nu=hL/kh=Nu*k/L其中，h為傳熱系數(shù)，k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，L為特征長(zhǎng)度，Nu為納蘇爾特?cái)?shù)。納蘇爾特?cái)?shù)和傳熱系數(shù)的計(jì)算方法取決于流體的流動(dòng)狀態(tài)、物體的幾何形狀和流體的性質(zhì)等因素。相變過(guò)程中的對(duì)流換熱沸騰換熱沸騰是指液體在低于其飽和溫度下汽化的過(guò)程。液體表面的蒸汽壓超過(guò)了周圍環(huán)境的壓力，導(dǎo)致液體沸騰。凝結(jié)換熱凝結(jié)是蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的過(guò)程。當(dāng)蒸汽與冷表面接觸時(shí)，蒸汽會(huì)失去熱量并凝結(jié)成液體。相變對(duì)流換熱的影響相變過(guò)程會(huì)顯著影響對(duì)流換熱系數(shù)。沸騰和凝結(jié)過(guò)程中的相變會(huì)產(chǎn)生顯著的熱量傳遞，從而提高換熱效率。沸騰過(guò)程中的對(duì)流換熱1氣泡形成液體表面形成氣泡2氣泡長(zhǎng)大氣泡逐漸長(zhǎng)大，脫離液面3沸騰傳熱氣泡與液體的相互作用，傳遞熱量沸騰是指液體內(nèi)部出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象，是一種高效的傳熱方式。沸騰過(guò)程中，液體的熱量傳遞至液體表面，形成氣泡，這些氣泡長(zhǎng)大并脫離液面，將熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)傳熱。凝結(jié)過(guò)程中的對(duì)流換熱1薄膜凝結(jié)液滴在表面形成薄膜，向下流動(dòng)2滴狀凝結(jié)液滴在表面形成圓形液滴3混合凝結(jié)兩種凝結(jié)模式共存凝結(jié)過(guò)程中的對(duì)流換熱是指蒸汽在冷表面上凝結(jié)成液體的過(guò)程，該過(guò)程涉及熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。受輻射影響的對(duì)流換熱輻射影響輻射熱量會(huì)影響周圍流體的溫度，從而改變對(duì)流換熱過(guò)程。例如，太陽(yáng)輻射會(huì)加熱地面，使地面空氣溫度升高，進(jìn)而影響地面附近空氣的對(duì)流換熱。影響因素輻射強(qiáng)度、輻射方向、物體表面性質(zhì)等因素都會(huì)影響對(duì)流換熱。例如，表面顏色深淺、材料的熱導(dǎo)率等都會(huì)影響輻射熱量的吸收和傳遞效率。應(yīng)用實(shí)例在太陽(yáng)能集熱器、燃燒室等應(yīng)用中，輻射熱量會(huì)影響對(duì)流換熱效率。例如，太陽(yáng)能集熱器中，太陽(yáng)輻射會(huì)加熱吸熱板，進(jìn)而加熱流經(jīng)吸熱板的空氣，從而提高集熱效率。高溫工藝爐膛的對(duì)流換熱高溫工藝爐膛通常應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，對(duì)流換熱是其主要的傳熱方式之一。爐膛內(nèi)高溫?zé)煔馀c爐壁之間存在顯著的溫度差，導(dǎo)致熱量通過(guò)對(duì)流方式傳遞，影響爐膛的熱效率和安全運(yùn)行。高溫工藝爐膛的對(duì)流換熱研究涉及復(fù)雜的氣固兩相流、湍流傳熱、輻射換熱等，需要結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行深入分析。液體金屬快堆的對(duì)流換熱液體金屬快堆是一種先進(jìn)的核反應(yīng)堆類型，以其高功率密度和優(yōu)越的安全特性而聞名。液體金屬冷卻劑具有高熱導(dǎo)率和低蒸汽壓的優(yōu)點(diǎn)，使其成為高效的熱量傳遞介質(zhì)。液體金屬快堆中的對(duì)流換熱過(guò)程主要發(fā)生在冷卻劑和燃料元件之間，以及冷卻劑和熱交換器之間。由于液體金屬的高熱導(dǎo)率和低粘度，對(duì)流換熱效率非常高，有利于提高反應(yīng)堆的熱效率和安全性。微小結(jié)構(gòu)中的對(duì)流換熱微小結(jié)構(gòu)是指尺寸在微米或納米量級(jí)的結(jié)構(gòu)，其表面積大，傳熱面積大，對(duì)流換熱性能增強(qiáng)，可應(yīng)用于微電子器件冷卻，生物芯片傳熱，納米流體傳熱等領(lǐng)域。研究微小結(jié)構(gòu)中的對(duì)流換熱對(duì)提高微電子器件的熱管理效率，推動(dòng)納米流體技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)生物芯片等微型器件的應(yīng)用具有重要意義。納米流體對(duì)流傳熱研究納米流體特性納米流體具有優(yōu)異的熱物理性質(zhì)，例如更高的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，可顯著提高對(duì)流傳熱效率。應(yīng)用領(lǐng)域納米流體在電子設(shè)備冷卻、太陽(yáng)能利用、熱交換器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究方向納米流體對(duì)流傳熱研究主要集中在流動(dòng)特性、傳熱機(jī)制和強(qiáng)化傳熱技術(shù)等方面。生物熱量傳遞中的對(duì)流換熱1體溫調(diào)節(jié)生物體通過(guò)對(duì)流換熱來(lái)調(diào)節(jié)體溫，維持體內(nèi)溫度平衡。2血液循環(huán)血液循環(huán)系統(tǒng)將熱量從核心部位傳遞到體表，通過(guò)對(duì)流換熱散失熱量。3呼吸系統(tǒng)呼吸過(guò)程中的空氣流動(dòng)，導(dǎo)致熱量通過(guò)對(duì)流換熱散失。4皮膚表面皮膚表面的汗液蒸發(fā)，帶走熱量，對(duì)流換熱起到重要作用。層流與湍流對(duì)流傳熱性能對(duì)比層流傳熱層流傳熱過(guò)程較為平穩(wěn)，傳熱系數(shù)相對(duì)較低。湍流傳熱湍流傳熱過(guò)程較為劇烈，傳熱系數(shù)較高。主要區(qū)別流體流動(dòng)狀態(tài)傳熱系數(shù)流體流動(dòng)速度對(duì)流傳熱性能影響因素分析流體性質(zhì)流體密度、粘度、熱容和熱導(dǎo)率等參數(shù)影響著對(duì)流換熱速率。換熱表面積更大的換熱表面積意味著更強(qiáng)的熱量傳遞，從而提高對(duì)流換熱性能。溫差較大的溫差會(huì)導(dǎo)致更快的熱量傳遞，提高對(duì)流換熱性能。流體速度更高的流體速度會(huì)導(dǎo)致更快的熱量傳遞，提高對(duì)流換熱性能。對(duì)流換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法1幾何形狀優(yōu)化優(yōu)化換熱器表面形狀，例如翅片形狀、管束排列等，增加表面積，增強(qiáng)流體流動(dòng)，提升換熱效率。2流動(dòng)控制優(yōu)化通過(guò)調(diào)整流體流動(dòng)方向、速度和湍流度，降低流體阻力，提高換熱效率，例如使用擾流板、渦流發(fā)生器等。3材料選擇優(yōu)化選用具有高導(dǎo)熱系數(shù)、耐高溫、耐腐蝕等性能的材料，提高換熱效率，降低換熱器成本。對(duì)流傳熱領(lǐng)域的前沿問(wèn)題高精度數(shù)值模擬結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算方法和高性能計(jì)算技術(shù)，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行更精確的模擬，以提高預(yù)測(cè)精度和設(shè)計(jì)效率。納米流體傳熱探索納米流體的