对流换热PPT
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
内部流动对流换热：管内或槽内； 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束。
5.流体的热物理性质：
定压比热 c p ，密度 ，导热系数
度
，粘度 （或运动粘
， / ，容积膨胀系数
1 V 1 V T p T p
边界层外：u 在y方向无变化，
u y 0
粘滞应力为0—主流区 流场可以划分为两个区：边界层区和主流区。
边界层区：流体的粘性起主导作用，流体的运动用粘性流 体运动微分方程组描述。（N-S方程）
主流区：速度梯度为0， 0 可视为无粘性理想流体；流 体的运动用欧拉方程。 —边界层概念的基本思想
影响因素：
流动起因、流动状态、流体有无相变、换热表面的 几何因素、流体的热物理性质等。 1.流动起因： 自然对流：流体内部各部分因温度不同而导致密度差异， 在由此而产生的浮升力作用下发生的流动 。 强制对流：流体在泵、风机或其它压差作用下发生的流动 。
2.流动状态： 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 紊流：流体质点做复杂无规则的运动。
的
LA , LB
数值必定相等。
可以证明：如果两个三角形具备相同的 LA , LB 那么它们 必定相似。
b' LA a' c' LB a'
b '' a '' c '' a ''
LA , LB 分别相等表达了三角形相似的充分和必要条件
LA , LB 有判断两三角形是否相似的作用 LA , LB 是无量纲的
壁面上的自然对流等。
边界层的厚度：卡门近似积分法
x 0, 0层流边界层:
4.64 x Re x 2 ; ~ x 2 x 0, 0紊流边界层: =0.381x Re x
1 5
1
1
; ~ x
1 5 5
4
5
先为层流后为紊流：
x(0.381x Re x
整理得：
a' b' c' h' Cl '' a ''' b ''' c ''' h '''
b ' b '' b ''' c ' c '' c ''' LA ; LB a ' a '' a ''' a ' a '' a '''
即：两三角形相似时，不仅各对应边成比例，而且他们
紊流 层流
紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。
3.流体有无相变： 单相 相变 单相换热：（single phase heat transfer） 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 (Phase change) (condensation) (boiling) 4.换热表面的几何因素：
连续性方程、动量方程、能量方程
2、常物性不可压缩流体的二维稳态流动 边界层对流换热微分方程组
t x ( ) y 0 对流换热微分方程： x t x y
能量微分方程：
动量微分方程： 连续性微分方程：
t t 2t u v x y c p y 2 u u dp 2u (u v ) Fx 2 x y dx y
（流体内部和流体与壁面间导热热阻小） 、c （单位体积流体能携带更多热量） （有碍流体运动，不利于热对流） （自然对流换热增强）
f (u, tf , tw , , , cp , 或 , , L,Φ)
对流换热分类：
5
10256 Re x 1 );
7
(Rec 5 10 ;5 10 Re x 10 )
二、热边界层 当温度均匀的流体流过壁面温度与其不同的平板时，流体 与壁面之间发生热量交换，在紧贴壁面位置存在着一流体薄层。 在其中，流体的温度由壁面温度变化到主流温度，这一流体薄 层称为热边界层。
边界层：流动边界层，热边界层。 一、流动边界层 当粘性流体流过壁面时，由于摩擦力的作用，使靠近壁 面的流体的流速降低，在垂直于平板的很小的距离内，流体 的速度从来流速度降到贴壁处的零值。规定达到主流速度的 0.99倍处和壁面间的薄层称为流动边界层。 y ,
u 0.99u
边界层内速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大。
流动边界层的厚度与流速、流体的运动粘度 和离平板前缘的距离x的关系
δcm
平板长度l (cm) 空气沿平板流动时边界层增厚的情况
x, 空气速度 u 10m / s :
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
由牛顿粘性定律：
u y
速度梯度越大，粘滞应力越大。
对流换热系数
2 W / m k
Q /( F t )
—当流体与壁面温度相差1℃时，每单位壁面面积上、 单位时间内所传递的热量。 如何确定对流换热系数 及研究增强换热的措施是对流 换热的核心问题
对流换热的研究方法：
• • • • 解析法 实验法 比拟法 数值法
二、对流换热的影响因素和对流换热的分类
第五章 对流换热 Convective heat transfer
§5.1 对流换热概述
§ 5.2 边界层分析
§ 5.3 边界层对流换热微分方程组 § 5.4 相似原理在对流换热中的应用 § 5.5 管槽内强迫对流换热 § 5.6 外掠圆管强迫对流换热
§ 5.7 自然对流换热
难点： 对相似原理和相似准则数的理解
y
t
—流体的导热系数 W / m℃
w, x
根据牛顿冷却公式：
傅里叶定律：
qw , x x t w t
qw, x —局部热流密度
W / m
2
qw , x
t y w, x
2 x —壁面x处局部对流换热系数 W/ m K
对流换热微分方程式：
t x tw t y w, x
t x tw t y w, x
x取决于流体导热系数、温度差和贴壁流体的温度梯度。
温度梯度或温度场取决于流体的热物性、流动状况、流 速的大小及分布、表面粗糙度等。 温度场取决于流场。 速度场和温度场由对流换热微分方程组确定。
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t
w
W/m2
q t
t = t w t f
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t Q 1 F
对流换热的热阻为1/ F ，单位为K/W。 单位面积对流换热热阻为 1 ，单位为(m2· K/W)。
§5.1 对流换热概述
一、对流换热
1、概念： 流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。
y
tf u
u
q
tw
x
•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。
2、机理： 包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程
3、对流换热的特点：
（1）导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 （2）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动； 也必须有温差 （3）由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 壁面处会形成速度梯度很大的流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
流动边界层的几个重要特征： 1. 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小
L
2. 边界层内存在较大的速度梯度。
3. 边界层流态分层流和紊流，紊流边界层紧靠壁面处仍有 层流特征，层流底层。
4. 流场可以分为边界层区和主流区。
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。 边界层理论的基本论点： 边界层概念也可以用来分析其他情况下的流动和换热。 如流体在管内的受迫流动，流体外掠圆管流动，流体在竖直
厚度
y t , T Tw 0.99(T Tw )
t —热边界层厚度， 与不一定相等。 t
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内 的温度分布。
层流：温度呈抛物线分布
紊流：温度呈幂函数分布
紊流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流
T T y wenku.baidu.com y w ,t w, L
1）几何相似
彼此几何相似的三角形，对应边成比例
若（1）（2）相似
若（1）（3）相似
a' b' c' h' Cl ' a '' b '' c '' h '' a' b' c' h' Cl '' a ''' b ''' c ''' h '''
几何相 似倍数
a' b' c' h' Cl ' a '' b '' c '' h ''
流体外掠平板时的层流边界层与紊流边界层
临界距离：由层流边界层开始 xc 向紊流边界层过度的距离：
临界雷诺数： Rec
惯性力 Rec 粘性力 u xc u xc v
平板： Rec 2 105 ~ 3106 ; 取Rec 5 105
紊流边界层： 为何是一个范围？ 层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一 层薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度。
层流靠流体导热换热，紊流 依靠流体微团脉动对流换热
故：紊流换热比层流换热强。
与t
的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量和热 扩散的深度
t
Pr
1 3
0.6 Pr 50 层流：
壁面加热流体时热边界层的形成和发展
Pr t a
Pr —普朗特数，反映了流动边界层与热边界层厚度的相对大小。
u v 0 x y
未知量： x、t、u、v4个，方程4个，方程是封闭的。 （p由主流区伯努利方程求得）
流体纵掠平板壁面：
u x 1/ 2 1/ 3 x 0.332 ( ) ( ) x a
§ 5.4 相似原理在对流换热中的应用
实验是研究对流换热的主要和可靠手段； 是检验解析解、数值解的唯一方法。 问题：如何进行实验研究？
III. 实验结果如何推广运用于实际现象。 相似原理将回答上述三个问题 相似原理：相似的性质、相似准则间的关系、判别相似的条件 利用与原型相似的模型来研究
一、物理现象相似的概念：
如果两个同类的物理现象，在对应的时空点，各标量 物理量的大小成比例，各向量物理量除大小成比例外，且 方向相同，则称两个现象相似。 同类物理现象：用相同形式和内容的微分方程式（控制 方程+单值性条件方程）所描述的现象。 电场与温度场： 微分方程相同，内容不同。 强制对流换热与自然对流换热：微分方程的形式和内容 都有差异。 外掠平板和外掠圆管：控制方程相同，单值性条件不同。 时空点对应 ：几何相似、时间相似是必要条件。 物理现象相似：在空间、时间相似的基础上，影响物理现象 的所有物理量分别相似的总和，包括几何、时间、运动、动力 等等。
液态金属的流动边界层远小于热边界层的厚度；对于空气 两者大致相等；对于高粘度的油类，则速度边界层远大于 热边界层。
§ 5.3 边界层对流换热微分方程组
1、对流换热过程微分方程式： 在这极薄的贴壁层流中， 热量只能以导热方式传递。 根据傅里叶定律：
qw, x
t 2 W / m y w, x —在坐标为 x, 0 的贴壁处流体的温度梯度
强制对流
圆管内强制对流换热 内部流动
其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
对 流 换 热
无 相 变
外部流动 大空间 自然对流 混合对流 大空间沸腾
外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热
有限空间
有 相 变
沸腾换热 凝结换热
管内沸腾 管内凝结 管外凝结
§ 5.2 边界层分析
f (u, tf , tw , , , c p , 或 , , L,Φ)
影响因素众多，实验工作量庞大、存在盲目性。
在实物或模型上进行对流换热实验研究时，变量太多。
三个问题： I. II. 如何设计实验、实验中应测哪些量（是否所有的物理量都 测）； 实验数据如何整理（整理成什么样的函数关系）；
5.流体的热物理性质：
定压比热 c p ，密度 ，导热系数
度
，粘度 （或运动粘
， / ，容积膨胀系数
1 V 1 V T p T p
边界层外：u 在y方向无变化，
u y 0
粘滞应力为0—主流区 流场可以划分为两个区：边界层区和主流区。
边界层区：流体的粘性起主导作用，流体的运动用粘性流 体运动微分方程组描述。（N-S方程）
主流区：速度梯度为0， 0 可视为无粘性理想流体；流 体的运动用欧拉方程。 —边界层概念的基本思想
影响因素：
流动起因、流动状态、流体有无相变、换热表面的 几何因素、流体的热物理性质等。 1.流动起因： 自然对流：流体内部各部分因温度不同而导致密度差异， 在由此而产生的浮升力作用下发生的流动 。 强制对流：流体在泵、风机或其它压差作用下发生的流动 。
2.流动状态： 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 紊流：流体质点做复杂无规则的运动。
的
LA , LB
数值必定相等。
可以证明：如果两个三角形具备相同的 LA , LB 那么它们 必定相似。
b' LA a' c' LB a'
b '' a '' c '' a ''
LA , LB 分别相等表达了三角形相似的充分和必要条件
LA , LB 有判断两三角形是否相似的作用 LA , LB 是无量纲的
壁面上的自然对流等。
边界层的厚度：卡门近似积分法
x 0, 0层流边界层:
4.64 x Re x 2 ; ~ x 2 x 0, 0紊流边界层: =0.381x Re x
1 5
1
1
; ~ x
1 5 5
4
5
先为层流后为紊流：
x(0.381x Re x
整理得：
a' b' c' h' Cl '' a ''' b ''' c ''' h '''
b ' b '' b ''' c ' c '' c ''' LA ; LB a ' a '' a ''' a ' a '' a '''
即：两三角形相似时，不仅各对应边成比例，而且他们
紊流 层流
紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。
3.流体有无相变： 单相 相变 单相换热：（single phase heat transfer） 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 (Phase change) (condensation) (boiling) 4.换热表面的几何因素：
连续性方程、动量方程、能量方程
2、常物性不可压缩流体的二维稳态流动 边界层对流换热微分方程组
t x ( ) y 0 对流换热微分方程： x t x y
能量微分方程：
动量微分方程： 连续性微分方程：
t t 2t u v x y c p y 2 u u dp 2u (u v ) Fx 2 x y dx y
（流体内部和流体与壁面间导热热阻小） 、c （单位体积流体能携带更多热量） （有碍流体运动，不利于热对流） （自然对流换热增强）
f (u, tf , tw , , , cp , 或 , , L,Φ)
对流换热分类：
5
10256 Re x 1 );
7
(Rec 5 10 ;5 10 Re x 10 )
二、热边界层 当温度均匀的流体流过壁面温度与其不同的平板时，流体 与壁面之间发生热量交换，在紧贴壁面位置存在着一流体薄层。 在其中，流体的温度由壁面温度变化到主流温度，这一流体薄 层称为热边界层。
边界层：流动边界层，热边界层。 一、流动边界层 当粘性流体流过壁面时，由于摩擦力的作用，使靠近壁 面的流体的流速降低，在垂直于平板的很小的距离内，流体 的速度从来流速度降到贴壁处的零值。规定达到主流速度的 0.99倍处和壁面间的薄层称为流动边界层。 y ,
u 0.99u
边界层内速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大。
流动边界层的厚度与流速、流体的运动粘度 和离平板前缘的距离x的关系
δcm
平板长度l (cm) 空气沿平板流动时边界层增厚的情况
x, 空气速度 u 10m / s :
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
由牛顿粘性定律：
u y
速度梯度越大，粘滞应力越大。
对流换热系数
2 W / m k
Q /( F t )
—当流体与壁面温度相差1℃时，每单位壁面面积上、 单位时间内所传递的热量。 如何确定对流换热系数 及研究增强换热的措施是对流 换热的核心问题
对流换热的研究方法：
• • • • 解析法 实验法 比拟法 数值法
二、对流换热的影响因素和对流换热的分类
第五章 对流换热 Convective heat transfer
§5.1 对流换热概述
§ 5.2 边界层分析
§ 5.3 边界层对流换热微分方程组 § 5.4 相似原理在对流换热中的应用 § 5.5 管槽内强迫对流换热 § 5.6 外掠圆管强迫对流换热
§ 5.7 自然对流换热
难点： 对相似原理和相似准则数的理解
y
t
—流体的导热系数 W / m℃
w, x
根据牛顿冷却公式：
傅里叶定律：
qw , x x t w t
qw, x —局部热流密度
W / m
2
qw , x
t y w, x
2 x —壁面x处局部对流换热系数 W/ m K
对流换热微分方程式：
t x tw t y w, x
t x tw t y w, x
x取决于流体导热系数、温度差和贴壁流体的温度梯度。
温度梯度或温度场取决于流体的热物性、流动状况、流 速的大小及分布、表面粗糙度等。 温度场取决于流场。 速度场和温度场由对流换热微分方程组确定。
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t
w
W/m2
q t
t = t w t f
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t Q 1 F
对流换热的热阻为1/ F ，单位为K/W。 单位面积对流换热热阻为 1 ，单位为(m2· K/W)。
§5.1 对流换热概述
一、对流换热
1、概念： 流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。
y
tf u
u
q
tw
x
•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。
2、机理： 包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程
3、对流换热的特点：
（1）导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 （2）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动； 也必须有温差 （3）由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 壁面处会形成速度梯度很大的流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
流动边界层的几个重要特征： 1. 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小
L
2. 边界层内存在较大的速度梯度。
3. 边界层流态分层流和紊流，紊流边界层紧靠壁面处仍有 层流特征，层流底层。
4. 流场可以分为边界层区和主流区。
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。 边界层理论的基本论点： 边界层概念也可以用来分析其他情况下的流动和换热。 如流体在管内的受迫流动，流体外掠圆管流动，流体在竖直
厚度
y t , T Tw 0.99(T Tw )
t —热边界层厚度， 与不一定相等。 t
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内 的温度分布。
层流：温度呈抛物线分布
紊流：温度呈幂函数分布
紊流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流
T T y wenku.baidu.com y w ,t w, L
1）几何相似
彼此几何相似的三角形，对应边成比例
若（1）（2）相似
若（1）（3）相似
a' b' c' h' Cl ' a '' b '' c '' h '' a' b' c' h' Cl '' a ''' b ''' c ''' h '''
几何相 似倍数
a' b' c' h' Cl ' a '' b '' c '' h ''
流体外掠平板时的层流边界层与紊流边界层
临界距离：由层流边界层开始 xc 向紊流边界层过度的距离：
临界雷诺数： Rec
惯性力 Rec 粘性力 u xc u xc v
平板： Rec 2 105 ~ 3106 ; 取Rec 5 105
紊流边界层： 为何是一个范围？ 层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一 层薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度。
层流靠流体导热换热，紊流 依靠流体微团脉动对流换热
故：紊流换热比层流换热强。
与t
的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量和热 扩散的深度
t
Pr
1 3
0.6 Pr 50 层流：
壁面加热流体时热边界层的形成和发展
Pr t a
Pr —普朗特数，反映了流动边界层与热边界层厚度的相对大小。
u v 0 x y
未知量： x、t、u、v4个，方程4个，方程是封闭的。 （p由主流区伯努利方程求得）
流体纵掠平板壁面：
u x 1/ 2 1/ 3 x 0.332 ( ) ( ) x a
§ 5.4 相似原理在对流换热中的应用
实验是研究对流换热的主要和可靠手段； 是检验解析解、数值解的唯一方法。 问题：如何进行实验研究？
III. 实验结果如何推广运用于实际现象。 相似原理将回答上述三个问题 相似原理：相似的性质、相似准则间的关系、判别相似的条件 利用与原型相似的模型来研究
一、物理现象相似的概念：
如果两个同类的物理现象，在对应的时空点，各标量 物理量的大小成比例，各向量物理量除大小成比例外，且 方向相同，则称两个现象相似。 同类物理现象：用相同形式和内容的微分方程式（控制 方程+单值性条件方程）所描述的现象。 电场与温度场： 微分方程相同，内容不同。 强制对流换热与自然对流换热：微分方程的形式和内容 都有差异。 外掠平板和外掠圆管：控制方程相同，单值性条件不同。 时空点对应 ：几何相似、时间相似是必要条件。 物理现象相似：在空间、时间相似的基础上，影响物理现象 的所有物理量分别相似的总和，包括几何、时间、运动、动力 等等。
液态金属的流动边界层远小于热边界层的厚度；对于空气 两者大致相等；对于高粘度的油类，则速度边界层远大于 热边界层。
§ 5.3 边界层对流换热微分方程组
1、对流换热过程微分方程式： 在这极薄的贴壁层流中， 热量只能以导热方式传递。 根据傅里叶定律：
qw, x
t 2 W / m y w, x —在坐标为 x, 0 的贴壁处流体的温度梯度
强制对流
圆管内强制对流换热 内部流动
其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
对 流 换 热
无 相 变
外部流动 大空间 自然对流 混合对流 大空间沸腾
外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热
有限空间
有 相 变
沸腾换热 凝结换热
管内沸腾 管内凝结 管外凝结
§ 5.2 边界层分析
f (u, tf , tw , , , c p , 或 , , L,Φ)
影响因素众多，实验工作量庞大、存在盲目性。
在实物或模型上进行对流换热实验研究时，变量太多。
三个问题： I. II. 如何设计实验、实验中应测哪些量（是否所有的物理量都 测）； 实验数据如何整理（整理成什么样的函数关系）；