传热学第五章ppt

x



t x
dy
y


t y
dx
x方向导入的净热量：
x


x

x x
dx


2t x2
dxdy
y方向导入的净热量：
y
y

y y
dy


2t y 2
dxdy
2.对流热量：
由左方进入微元体的焓值： x cptudy
由下方进入微元体的焓值： y cptvdx
x方向对流入的净热量：x


x

x x
dx

c p
tu dxdy
x
y方向对流入的净热量：y
y

y y
类比法 数值法 实验法
第一节
常见对流换热设备：
壳管式 换热器
对流换热概述
蒸汽锅炉水循环系统
冷凝器 连续肋片管束
采暖散热器 环肋片管束
影响对流换热的因素
一、流动的起因和流动状态
起因
自然对流 受迫对流 混合对流
流动状态
层流 紊流
二、流体的热物理性质 （比热容、导热系数、密度、黏度、体积膨胀系数等）
比热容和密度大，单位体积流体能携带更多能量 导热系数大，流体内部导热能力强 黏度小，流体流动顺畅
第二节 对流换热微分方程组
对流换热问题总的求解步骤（二维不可压缩牛顿型流体）
动量方程
能量方程
过程方程
已知条件
速度场
温度场
hx
h
一、对流换热过程微分方程式
推导依据：流体在贴壁处处于无滑移状态，贴壁流体层仅有导热发生
根据傅立叶导热定律：
qx


t y
w,x
根据牛顿冷却定律： qx hx tw t f x hxtx
y

M dy
y v
My
dx M
y
y
dy
将以上四式代入质量守恒定律： M x M y M xdx M ydy
得出： u v 0 x y
三、动量微分方程式(N•S方程)
推导依据——牛顿第二定律F＝ma
1.微元体的质量×加速度： dxdy DU d
DU 在两个方向的分量分别为：

v
v y


Y

p y


2v x 2

2v y 2

对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
u v 0

当只有重力场作用时： X g x Y g y
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量
1.导热热量：
根据傅立叶定律：
h增大
体积膨胀系数 1 v 1 v T p T p
对理想气体 1 T
Re增大——h增大
定性温度——换热中起主导作用的温度，以此特征 温度确定物性参数，可将物性参数按常数处理
三、流体的相变（凝结、沸腾、融化、凝固、升华、凝华）
xy


u y

v x

将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
x方向：
u

u
u x

v
u y


X

p x


2u x 2

2u y 2

y方向：
v

u
v x




2t x2

2t y 2

Dt
或可写为：
a2t
d
五、对流换热微分方程组
hx


t x

t y
w, x
5个方程,5个未知数(h,u,v,t,p)， 理论上存在唯一解
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律 q h tw t f 中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx
Isaac Newton(1642-1727)
hxdA
平均对流表面传热系数 h A
A
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
u
u x

v
u y


X

x
x

yx
y
y方向：
v

u
v x

v
v y

Y

y
y

xy
x
对于不可压缩流体：
表面法向应力

x y

p 2 p 2
u
x v
y
表面切向应力 yx
2.微元体所受的外力：（x,y两方向）
体积力YXddxxddyy
表面力
x
x
y
y

yx
y
xy
x
dxdy dxdy
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程：
x方向：

u

对流换热过程方程：
hx



tx

t y
w,x


x


y
w,x , 其中＝t
tw
二、连续性方程
推导依据——质量守恒定律
各方向流进和流出微元体的质量流量：
x方向M
x

Mx dx M
udy
M x x
x
dx
y方向M
dy

cp
tv dxdy
y
3.内能增量：
c p
t

dxdy
将1、2、3代入能量守恒关系式，得出：

2t x2

2t y 2

c p
tu
x

c p
tv
y

c p
t

应用连续方程将其简化，得出：
c
p

t

u
t x
v
t y
d
Dux, y, u u x u y u u u v u
d
x y x y
Dvx, y, v v x v y v u v v v
Biblioteka Baidud
x y x y
冷凝器
锅炉
四、换热表面几何因素 （壁面尺寸、粗糙度、形状及与流体的相对位置)
定型尺寸——换热中有决定意义的尺寸，以此特征 尺寸作为分析计算的依据，能准确反映物体形状对 换热的影响
对流表面传热系数h的多参数函数
h f u,tw,t f , , cp , , , , l
对流换热情况分类