热工基础(机械)第10章PPT课件

u∞ (uf) 为来流速度
则 0～ 的薄层称为速度边界层。
在边界层内,
很大，故τ也较大。
τ—切向粘性力(维持层流 , 阻碍流体沿 y 向流动) 主流区：边界层以外，流速维持u∞ (u f)基本不变
的区域。在主流区中， 。
（2） 掠过平板时边界层的形成和发展 设：流体以 uf 流进平板前缘
① 起始处 x = 0，δ= 0；之后 x ↑—δ↑,速度 梯度↓ — τ↓; x＜xc,, 为层流段, τ起支配作 用, 速度分布为抛物 线； ② x = xc处，层流边界层开始变得不稳定, 惯性力＞粘性 力，若 uf 为紊流，沿 y 向有惯性力, 层流流动状态开始 由层流→ 过渡流→紊流扩展变化，δ变厚。 原因：紊流传递能量大，把粘性力传到了较远的地方。
常用无量纲准则普朗特数 Pr (物性参数)来反映物性 对对流换热的影响。
P rcpa
4. 换热面的几何因素（尺寸、形状和位置等） 几何因素主要影响流体的流动状态、边界层的形成 和发展（速度、温度分布）等。其影响通过定型尺 寸来表征（参见P.172 F.10.1）。 定型尺寸：对换热有决定性影响的特征尺寸。
定义式： Re ul ul
式中：
u——特征速度（公式规定的代表性速度） l ——特征（定型）尺寸（对流动有决定性影响）
——动力粘度，kg/（m·s） —— 运动粘度，m2/s。
Re的物理意义：
Re ul u2 u
l
② 流态区分
惯性力(量纲分析) 摩擦阻力
层流
Re＜Rec1
紊流
Re＞Rec2
例：外掠平壁：板长L；
管内流动： d内（非圆管(槽)道为
）
管外流动：d外；
5. 流体有无相变（有相变 h 大） 本章重点——单相流体受迫对流换热
三、h 的确定方法 1. 建立边界层微分（或积分）方程组并分析求解； 2. 由热量和动量传递规律类比求解； 3. 相似理论指导下的实验法； 4. 数值计算方法。
③ 热边界层形态与速度边界层层流段相似。边界层 内温度分布呈抛物线型, 壁面处温度梯度最大，边界层 外可近似看作等温流动。
对流换热热量传递机理：
对流——流体质点不断运动和混合产生宏
包含
观热对流（主要在紊流区）。
导热——流体与壁面、流体分子之间的微
观导热作用（主要在层流区）。
10－2 对流换热的基本方程组
二、影响 h 的因素 1. 流动起因 自由流动——由流体冷热各部分的密度差引起； 受迫流动——受外力（如风机、水泵等）推动 而引起。
在其它条件相同的情况下： h受迫 h自然 2. 流动状态（简称流态）
层流流层之间互不掺混 ——热传导； 湍（紊）流流体质团相互掺混——热对流
一般情况下, h紊＞h层
① 流态的判据: 受迫对流——Re（雷诺数） 自然对流——Gr Pr (格拉晓夫数与普朗特数的乘积)
利用对流换热微分方程组和边界层理论, 可求得边界 层局部对流换热系数 hx ,然后积分得h 。(10.10)
10－3 相似理论基础
直接实验法的局限性： ① 只能用于特定的实验条件下完全相同的现象； ② 在某些情况下，由于条件的限制或是影响的因素
太多，需进行成千上万次实验，才能找出规律； ③ 对尚未建造的、特大型的设备，不能用此法探索 其规律性； ④ 常常只能得出个别量之间的规律性关系，难以抓
第十章 对流换热
10－1 对流换热的基本概念
一、对流换热定义及基本公式 定义：流动的流体和静止的固体壁面直接接触时
所发生的传热现象称为对流换热。
基本公式： ΦhA (ttw)
或qh(ttw)
W m2W/牛顿冷却公式
h——对流换热系数，W/（m2 ·C）
影响对流换热的因素很多，都包含在 h 中。
研究目的： 求取h。
层流
层流
（3）热边界层的几个特点： ① 热边界层与物体的几何尺寸相比很小, 形成一般比
速度边界层晚，因传热需要时间； ② 一般δ≠δt，只有当a =ν时，二者相等. δt 反映
流体的热量扩散能力, 与 a 有关 ,δ反映流体的动量扩 散能力, 与ν有关 。因此 Pr 数反映了动量和热量在 流体中扩散的相对能力；
2、相似准则数与准则间的关系
四、流动边界层和热边界层
1. 流动（速度）边界层
（1） 流动边界层的定义：由于流体粘性作用，在壁 面附近形成的速度梯度很大的薄层。
形成机理：在粘性作用下，流体与壁面间的摩擦力
以及流体每层之间的摩擦力使近壁区速度逐层降低。
在紧贴壁面y = 0 处，速度 ux= 0。
设： y＝ 处， u x 0.99 u
边界层厚度 δ 、 ux变化如图。
③ 最后形成三层结构的稳定边界层 : 层流底层 + 缓冲层(过渡层) + 紊流核心
层流底层：稳定边界层中紧贴壁面仍保持层流的极薄层。
2. 热边界层（温度边界层）
⑴ 定义：由于温差作用，在壁面处形成的温度梯度 很大的薄层。
设：
,则
为热边界层。
即：可近似认为是从壁面至 t = 0.99 tf 处的距离。 ⑵ 温度分布
对流换热微分方程组包括：
连续性方程、动量微分方程、能量微分方程、 对流换热微分方程。
hx
t
t y
y0
─
对流换热微分方程由
对流换热微分方程
qx
t y
y0
, qx hxt
导出，是描述对流换热系数 h 与热边界层内温度分
布关系的微分方程式。
即利用了对流换热量=导热量原理，见P.176（10.6）
过渡流
——
两种流态交替出现 或兼而有之。
Rec1＜Re＜Rec2
不同对流换热情况下, Rec 的值不同。 3.流体的物性 ① 不同的流体，物性不同； ② 同一流体，温度不同，物性也不同。因此用
定性温度来确定物性的温度。 定性温度的选取方式：
• 流体进出口的算术平均温度 tf ； • 壁表面温指导下的模型实验的结果可以推广到相似的 现象中去，而且可以减少实验次数。
一、相似的概念
1、几何相似。与流体相接触部分形状相同，几何尺 寸成比例； 2、物理现象相似。同类物理现象在对应时刻、对应 空间点的同名物理量成比例。 （几何相似、时间相似、物理场相似） 二、相似原理 1、相似性质 彼此相似的现象, 其同名相似准则必相等。 （证明见P.182）