对流传热原理

5.1 概述
5. 几何因素
5.1 概述
研究对流传热的方法： 1.分析解法
• 数量级分析法 • 积分近似解法
2.数值解法 3.比拟法 4.相似原理指导下的实验法
5.2 边界层概念
流动边界层
——由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距 离的缩短而逐渐降低，在贴壁处被滞止，处于无滑移状 态。这种固体壁面附近流体速度变化剧烈的薄层称为流 动边界层或速度边界层。
5.1 概述
2. 流动状态
• 层流——整个流场呈一簇互相平行的流线 • 湍流——流体质点做复杂无规则的运动
3. 有无相变
• 单相依靠显热实现传热 • 相变依靠潜热实现传热
4. 流体物性
• 热导率——流体与壁面间导热热阻越小，对流传热越强 • 定压比热——单位体积流体能携带更多能量 • 密度——单位体积流体能携带更多能量 • 动力粘度——阻碍流体流动，不利于对流 • 体胀系数——使自然对流换热增强
例如对纵掠等温平壁的稳态传热， Re 5105 时， 求解结果为：
1
1
hx
0.332
x
u x
2
a
3
5.4 特征数方程
• 相似理论
同类物理现象中，若在空间对应的地点和时间 对应的瞬间，其各对应的物理量分别成一定比例， 称物理现象彼此相似。
彼此相似的物理现象，其对应的同名特征数必 定相等。
v
u y
Fx
p x
2u x2
2u y2
v
u
v x
v
v y
Fy
p y
2v x2
2v y2
4. 能量方程 t t t 2t 2t
u
x
v
y
a
x2
y2
5.3 对流传热微分方程组
• 边界层对流传热微分方程组
将对流传热微分方程组应用到边界层内，可以求 解简单的对流传热问题。
Nu f Re,Pr • 纯自然对流 Nu f Pr,Gr
统一形式：
Nu C Ren Prm Grs
5.4 特征数方程
对流传热的三大特征量——确定特征数中 某些参数的量
1.特征温度 tc
• 流体温度 • 热边界层平均温度 • 壁面温度
2.特征尺寸 lc 3.特征流速 vc
5.4 特征数方程
由牛顿粘性定律： u
y
—动力粘度 Pa.s
流场可以划分为两个区： 边界层区与主流区
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：
层流边界层
过渡区
湍流边界层
湍流核心区 层流底层
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面 的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度
工程上实用的计算对流传热系数h的各种公式， 主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确 定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实 验测量获得相应的参数。
5.4 特征数方程
对流传热常用的特征数（稳态，单相） 1. 努塞尔数Nu
Nu hlc
f
lc f
1h
对流层导热热阻 对流传热热阻
2. 雷诺数Re
普朗特数反映流动边界层厚度与热边界层 厚度的相对大小
Pr
a
动量扩散能力 热量扩散能力
常用流体的Pr值在0.6~4000之间
14
5.3 对流传热微分方程组
对流传热——流体热对流+导热 还要涉及到流体的质量、动量、能量方程，因 此对流传热需用一组方程描述。
方程简化：常物性，流速不高，无内热源，不可 压缩，牛顿型流体，二维稳态对流传热
Re Vclc
பைடு நூலகம்
Vclc
惯性力 粘性力
5.4 特征数方程
3. 格拉晓夫数Gr
Gr
gV tlc3 2
浮升力 粘性力
惯性力 粘性力
4. 普朗特数Pr
Pr
v a
动量扩散能力 热量扩散能力
5.4 特征数方程
对流传热常用特征数方程
• 流体流速较小，自然对流和强迫对流共存
Nu f Re,Pr,Gr
• 纯强迫对流
hAt
t ——流体与壁面的温差 A ——对流传热面积 h ——对流传热系数
热阻
1 Rh hA
5.1 概述
对流传热系数及其影响因素
对流传热系数是一个表征对流传热强弱的非物性参
数，定义式为： h q t
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
影响因素： 1. 流动起因
• 强迫对流 • 自然对流
5.2 边界层概念
层流向湍流转捩的定量判据——雷诺数（Reynolds）
定义式：Rec
uclc
uclc
惯性力 粘性力
——密度
uc ——特征流速
lc ——特征尺寸
——运动粘度
掠过等温平壁时层流向湍流转捩的临界雷诺数： Rec 5105
5.2 边界层概念
流体边界层的特点：
• 边界层厚度 与壁的定型尺寸L 相比极小， << L
15
5.3 对流传热微分方程组
1.传热方程
粘性底层的导热：
qx
f
tx y
y 0
牛顿冷却公式： qx hx tw t f x
合并上两式：
hx
f
tw t f
x
tx y
y0
5.3 对流传热微分方程组
2. 质量方程 3. 动量方程
u v 0 x y
u
u
u x
第五章 对流传热原理
航空工程学院发动机系
1
5.1 概述
流动流体与所接触的物体表面之间由于温 度差而引起的热量传递称为（表面）对流 传热。
➢按流体有无相变 ➢按流体流动起因 ➢按流体流动状态
单相对流传热 相变对流传热——凝结，沸腾
自然对流传热 强迫对流传热
层流对流传热 湍流对流传热
2
5.1 概述
基本公式——牛顿冷却公式
• 边界层内存在较大的速度梯度 • 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处
仍有层流特征，粘性底层（层流底层） • 流场可以划分为边界层区与主流区
边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述 主流区：由理想流体运动微分方程—欧拉方程描述
5.2 边界层概念
热边界层
——当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很 大的温度边界层（热边界层）
• 实验数据的整理
以稳态单相强迫对流为例：
Nu f Re,Pr
Nu C Ren Prm
对同一流体实验，控制温度，使Pr不变，在不同 的Re下，得到Nu，利用对数关系确定方程中的系 数。
Tw
t tw 0.99 t tw y t 热边界层厚度
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时热边界层的形成和发展：
在层流边界层中：热量传递依靠导热 在湍流边界层中：热量传递依靠流体微团的脉动引起
的混合作用
5.2 边界层概念
热边界层厚度与流动边界层厚度的关系：
（流动边界层和热边界层的状况决定边界层内的热量传递）