第5章 对流换热PPT课件

单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量：
MyMydyM yydy(yv)dxdy
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单位时间内微元体内流体质量的变化:
(dxd)ydxdy
微元体内流体质量守恒：
单位时间内流入微元体的净质量 = 单位时间内微元体内流体质量的变化
§5-1 对流传热概说
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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) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；
也必须有温差 (3) 由于流体的粘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边界层
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一、对流传热的影响因素
h强制h自然
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2、流体有无相变：
单相换热（Single phase heat transfer） 相变换热（Phase change heat transfer） ： 凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
3、流动状态：
h相变h单相
层流（Laminar flow）：整个流场呈一簇互相平行的 流线
第五章 对流换热的理论基础
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对流换热（Convection heat transfer）
对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量 传递过程
● 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 不是基本传热方式
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对流换热实例
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对流换热：导热 + 热对流 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（Free convection）：流体因各部分温度 不同而引起的密度差异所产生的流动
强制对流（Forced convection）： 由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动
再生冷却的火箭发动机
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牛顿冷却公式
ΦhA (twt)
qΦAh(twtf)
牛顿冷却公式也是表面传热系数h的定义式，没 有揭示表面传热系数和影响它的有关物理量之间的 内在关系。研究对流换热的主要任务就是揭示这些 内在关系，寻求确定h的方法和表达式。
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为便于分析，只限于分析二维对流换热
假设：a) 流体为不可压缩的牛顿型流体 （即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥 浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体）
u y
b) 所有物性参数（、cp、、）为常量
4个未知量：速度 u、v ；温度 t ；压力 p
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MxdxMxM xxdx
单位时间内、沿x轴方向、经 x+dx表面流出微元体的质量
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单位时间内、沿x轴方向 流入微元体的净质量：
MxMxdx 19
Mx udy
MxdxMxM xxdx
单位时间内、沿 x 轴方向流入微元体的净质量：
M xM xdx M xxd x( xu)d xd y
需要4个方程
连续性方程（1） 动量方程（2）
能量方程（1）
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一、连续性方程（Continuity equation） 流体的连续流动遵循质量守恒规律 从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体
M 为质量流量 [kg/s]
Mx udy
— 单位时间内、沿x轴 方向、经x表面流入微 元体的质量
从而获得速度场与温度场的分析解。
求解困难，只有少数简单问题能得到分析解； 分析解能揭示各物理量对表面传热系数的依变关系，可 评价其它方法所得到的结果。
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2、实验法 获得表面传热系数的主要方法； 试验测定通常应用相似原理。
3、比拟法 通过研究动量传递与热量传递的共性与类似特性，
湍流（紊流）（Turbulent flow）：流体质点做复 杂无规则的运动
h湍流h层流
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4、换热表面的几何因素：
(形状、尺寸、表面状况、流动方向与表面相对位置等）
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： 热导率 [W(mC)] 比热容c[J (kgC)]
hf(v,tw ,tf,,cp,,,,l,Ω )
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
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二、对流传热分类
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三、对流传热的研究方法
（1）分析法; （2）实验法; （3）比拟法; （4）数值法
1、分析法 对描述对流换热的微分方程及定解条件进行求解，
建立表面传热系数与阻力系数间的相互关系。 实验测定阻力系数比较容易，可根据测定的阻力系
数计算相应的表面传热系数。 由于测试技术提高及计算机飞速发展，现在已较少
应用。 4、数值法
比导热数值方法困难得多，可参考有关文献。
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四、如何由温度场计算表面传热系数
当粘性流体在壁面上 流动时，由于粘性的 作用，流体的流速在 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
密度 [kg m3]
动力粘度 [Ns m2]
运动粘度 [m2 s] 体胀系数 [1K]
1vTvp1Tp
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h(流体内部和流体 间与 导壁 热面 热)阻小
、ch (单位体积流体能携 多带 能更 量 ) h (有碍流体流动、不 热利 对于 流 )
h 对 流 换 热 增 强
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
（即：y=0, u=0）
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递
根据傅里叶定律：
qw
流体的热导率
t y
y0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04.12.2020 t y y0 —在坐(标 y0)处流体的温15度
根据傅里叶定律：
qw
t y
y0
根据牛顿冷却公式： qwh(tw-t)
由傅里叶定律与牛顿冷却公式：
h tw
t
yt y0
对流换热过程微分方程式
h 取决于流体热导率、温差和贴壁流体的温度梯度
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（层 流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。
温度场取决于流场(速度场)
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：
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连续性方程、动量方程、能量方程 16
§5-2 对流传热问题的数学描述