传热学-第五章

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传热学-第五章3-4-PPT

温度：
t 数量级为 1
边界层厚度：δ数量级Δ
18
X方向壁面特征长度：l 数量级为1
二维对流换热，其微分方程组已导出：
u v 0 x y
（u
u x
v
u y
)
Fx
p x
( 2u
x 2
2u y 2
)
（u
v x
v
v ) y
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
c p u
t x
v
t y
2t x 2
u
t x
v
t y
a
2t y 2
应的定解条件，则可以求解
dp dx
u
du dx
若 du 0，则 dp 0
dx
dx
23
例如：对于主流场均速 u 、均温 t ，并给定恒定
壁温的情况下的流体纵掠平板换热，即边界条件为
y 0 u 0, v 0, t tw
y u u, t t
求解上述方程组(层流边界层对流换热微分方程组) 可得局部表面传热系数 hx 的表达式
t与相似，随着 x 增加而增厚,它反映了流
体热量传递的渗透深度。
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
10
层流：温度呈抛物线分布
湍流：温度呈幂函数分布湍流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流
T y
w,t
T y
w, L
故：湍流换热比层流换热强！
11
与 t 的关系：分别反映流体分子和流体微
a
Pr
——普朗特数，反映流体物性对换热的影响
式中ν 、a 的单位都是 m2 / s，故Pr数是无因次数。

《传热学》资料第五章传热过程与传热器

《传热学》资料第五章传热过程与传热器一、名词解释1．传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2．复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3．污垢系数:单位面积的污垢热阻.4．肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5．顺流:两种流体平行流动且方向相同6．逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径.二、填空题1．与的综合过程称为复合传热。

(对流传热，辐射传热)2．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为20 W／(m2．K)，对流传热系数为40 W／(m2．K)，其复合传热系数为。

(60W／(m2．K))3．肋化系数是指与之比。

(加肋后的总换热面积,未加肋时的换热面积)4．一传热过程的热流密度q＝1．8kW／m2，冷、热流体间的温差为30℃，则传热系数为，单位面积的总传热热阻为。

(60W／(m2．K)，0．017(m2.K)／W)5．一传热过程的温压为20℃，热流量为lkW，则其热阻为。

(0．02K／W)6．已知一厚为30mm的平壁，热流体侧的传热系数为100 W／(m2．K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2．K)，平壁材料的导热系数为0．2W／(m·K)，则该平壁传热过程的传热系数为。

(6．1W／(m2．K))7．在一维稳态传热过程中，每个传热环节的热阻分别是0．01K／W、0．35K／W和0．009lK ／W，在热阻为的传热环节上采取强化传热措施效果最好。

(0．35K／W)8．某一厚20mm的平壁传热过程的传热系数为45W／(m2．K)，热流体侧的传热系数为70W／(m2K)，冷流体侧的传热系数为200W／(m2．K)，则该平壁的导热系数为。

第五章-传热学

t w = f ( x, y , z , τ )
如果t 常数，则称为等壁温边界条件如果 w=常数，则称为等壁温边界条件。等壁温边界条件。
12
第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律：给出边界上的热流密度分布规律：
qw = f ( x, y , z , τ )
8
单位时间内微元体热力学能的增加为单位时间内微元体热力学能的增加为
dU Φλ + Φh = 于是根据微元体的能量守恒 dτ ( ut ) ( vt ) 2t 2t 可得 λ 2 + 2 dxdy ρ c p x + y dxdy x y t = ρcp dxdy τ t t t u v 2t 2t +v +t + ρcp + u = λ 2 + 2 x y x y x y τ
4
按照牛顿冷却公式
t q x = hx ( tw tf ) x= λ y w,x
hx =
qx
( tw tf ) x
λ
t y w, x
如果热流密度、表面传热系数、如果热流密度、表面传热系数、温度梯度及温差都取整个壁面的平均值，都取整个壁面的平均值，则有 λ t h= tw tf y w 上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模型应该包括描写速度场和温度场的微分方程。场的微分方程。 5
dU t = ρcp dxdy τ dτ
t t t 2t 2t ρcp + u +v = λ x 2 + y 2 x y τ

传热学—第五章

第四章对流换热在绪论中已经指出，对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，是发生在流体中的热量传递过程的特例。

由于流体系统中流体的运动，热量将主要以热传导和热对流的方式进行，这必然使热量传递过程比单纯的导热过程要复杂得多。

本章将在对换热过程进行一般性讨论的基础上，将质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律应用于流体系统，导出支配流体速度场和温度场的场方程－对流换热微分方程组。

由于该方程组的复杂性，除少数简单的对流换热问题可以通过分析求解微分方程而得出相应的速度分布和温度分布之外，大多数对流换热问题的分析求解是十分困难的。

因此，在对流换热的研究中常常采用实验研究的方法来解决复杂的对流换热问题。

在这一章，我们将通过方程的无量纲化和实验研究方法的介绍而得到常用的准则及准则关系式。

讨论的重点放在工程上常用的管内流动、平行流过平板以及绕流圆管的受迫对流换热，大空间和受限空间的自然对流换热，以及蒸汽凝结与液体沸腾换热。

4-1 对流换热概述1对流换热过程对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，（直接接触是与辐射换热的区别），是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。

由于涉及流体的运动使热量的传递过程变得较为复杂，分析处理较为困难。

因此，在对流换热过程的研究和应用上，实验和数值分析的处理方法是常常采用的。

下面我们以简单的对流换热过程为例，对对流换热过程的特征进行粗略的分析。

图4－1表示一个简单的对流换热过程。

表示流体以来流速度u ∞和来流温度t ∞流过一个温度为t w 的固体壁面。

这里选取流体沿壁面流动的方向为x 坐标、垂直壁面方向为y 坐标。

由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态（此论点对于极为稀薄的流体是不适用的）。

又由于流体分子相互之间的穿插扩散和(或) 相互之间的吸引造成流体之间的相互牵制。

这种相互的牵制作用就是流体的黏性力，在其作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。

传热学第五章对流换热

1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截面上一直保持不变。如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的、分类三、对流换热的机理四、影响因素五、研究方法六、h的物理意义
一.定义
流体流过与其温度不同的固体表面时所发生的热量交换称为对流换热。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。对流换热遵循牛顿冷却定律：
qw tw
x
y
t∞
u∞
图5-1 对流换热过程示意
圆管内强制对流换热其它形式截面管道内的对流换热外掠平板的对流换热外掠单根圆管的对流换热外掠圆管管束的对流换热外掠其它截面形状柱体的对流换热射流冲击换热
外部流动
对流换热
有相变
自然对流(Free convection) 混合对流沸腾换热凝结换热
大空间自然对流有限空间自然对流
大容器沸腾管内沸腾管外凝结管内凝结
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA）连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒）动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒）能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组先作假设：（1）仅考虑二维问题；（2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动；（3）常物性，无内热源；（4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定律，对于这样一个开口系统，有：

传热学第五章对流换热

第五章
§5-1 §5-2 §5-3 §5-4 §5-5 §5-6 §5-7 §5-8
对流换热
Convective heat transfer
对流换热概说对流换热的数学描写对流换热边界层微分方程组对流换热边界层积分方程组相似理论与量纲分析管内受迫流动横向外掠圆管的对流换热自然对流换热及实验关联式
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA）连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒）动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒）能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组先作假设：（1）仅考虑二维问题；（2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动；（3）常物性，无内热源；（4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定律，对于这样一个开口系统，有：
同理：（） dτ qm hout − qm hin ≈ ρcp (
y
H y + dy − H y =
∂t ∂v ⋅ v + ⋅ t )dxdydτ ∂y ∂y
（qm h)out − (qm h)in ∴ ∂t ∂t ∂u ∂v = ρ c p (u + v )dxdy + ρ c p t ( + )dxdy ∂x ∂y ∂x ∂y ∂t ∂t = ρ c p (u + v )dxdy (d ) ∂x ∂y
1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截面上一直保持不变。如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的概念。

第五章-传热学

h
' h,x
' h,y
cpuxtvytdxdy
8
单位时间内微元体热力学能的增加为
dU
d
cp
t
dxdy
于是根据微元体的能量守恒
h
dU
d
可得
2t x2
2t y2
dxdy
cpuxtvytdxdy
cp
t
dxdy
cptux tvy ttu xv y
2t x2
2t y2
2
20
cp
uxt
v t y
＝
2t x2
2t y2
1
11 1
1
2
1 1
1
2
对流换热微分方程组简化为
h t tw tf y w
u v 0 x y
简化方程组只有4个方
程，但仍含有h、u、v、 p、t 等5个未知量，方
程组不封闭。如何求解？
uuxvuy1ddpxy2u2
u t x
v t y
26
第六节相似理论基础
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换热问题的可靠方法。
相似原理回答三个问题：（1）如何安排实验？（2）如何整理实验数据？（3）如何推广应用实验研究结果？
一、相似原理的主要内容
1.物理现象相似的定义 2.物理现象相似的性质 3.相似特征数之间的关系 4.物理现象相似的条件
三、解的函数形式——特征数关联式
特征数是由一些物理量组成的无量纲数，例如毕渥数Bi和付里叶数Fo。对流换热的解也可以表示成特征数函数的形式，称为特征数关联式。
通过对流换热微分方程的无量纲化可以导出与对流换热有关的特征数。

传热学第五章对流换热

t qw
n w
第三类边界条件？
思考
对流换热微分方程表明,在边界上垂直于壁面的热量传递完全依靠导热,那么在对流换热过程中流体的流动起什么作用?
hx
tw t
x
t y
y0,x
c
p
t
u t x
v
t y
2t x2
2t y 2
流场决定温度场
小结
我们学习了影响对流换热的一些因素；对流换热微分方程：对流换热系数的定义对流换热微分方程组：连续性方程、动量方程、能量方程
A qxdA
A
hx
tw
t
x
dA
h
1 A
A hxdA
对流换热的核心问题
对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。影响因素：
1)流动的起因：强迫对流换热与自然对流换热 2) 流动的状态：层流和紊流 3) 流体有无相变 4) 流体的物理性质
5) 换热表面的几何因素
v
t y
2t x2
2t y 2
2) 对流换热的单值性条件
(1) 几何条件 (2) 物理条件 (3) 时间条件 (4) 边界条件
1904年，德国科学家普朗特(L. Prandtl)提出著名的边界层概念后，上述方程的求解才成为可能。
第一类边界条件 t w f x, y, z,
q 第二类边界条件 w f x, y, z,
采用氢冷须注意其密封结构，否则泄露后会发生爆炸。
5) 换热表面的几何因素
强迫对流
（1）管内的流动
（2）管外的流动
自然对流
（3）热面朝上
（4）热面朝下
对流换热分类

传热学第五章

h Atw t
以后除非特殊声明外,我们所说的对流换热系数皆指平均对流换
热系数,以 h 表示.
h(x)规律说明
Laminar region
x (x) h (x) 导热
Transition region
扰动
h(x)
Turbulent region
湍流部分的热阻很小,热阻主要集中在
粘性底层中.
2.按有无相变分
单相介质传热:对流换热时只有一种流体.
相变换热:传热过程中有相变发生.
物质有三态,固态,液态,气态或称三相.
相变换热有分为:
沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生的换热.
凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为液态时发生的换热. 熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热（sublimation heat transfer ）
由上述分析可见,边界层控制着传热过程,故一些研究人员试图通过
破坏粘性底层来达到强化传热的目的,并取得了一些成果.
二、边界层微分方程组.
牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,
二维,略去重力.
完性分析已知：u，t，l 的量级为0(1) ， t 的量级为0(）
以此五个量为分析基础。
2.动量方程(momentum equation)
u v 0 x y
u
u
u x
v
u y
Fx
p x

传热学-第五章-对流原理.

三个准则数分别称为努谢尔特准则，雷诺准则和普朗特准则，相应地用符号Nu、Re 和Pr表示，代入式(d)中，得
N uARcePer
写成一般形式的无量纲关系式，则为
u＝f〔Re,Pr)
上两式称之为准则方程式，式中的系数和指数，或方程的具体形式由试验确
定。
至于自然对流换热，无论是理论分析还是试验分析，都觉察正是由于壁面和流体之间存在的温度差，使流体密度不均匀所产生的浮升力，导致了自然对流运动的发生和进展。自然对流换热系数α 与其影响因素的一般关系式为
如下图，流体接触管道后，便从两侧流过，并在管壁上形成边界层。正对着来流方向的圆管最前点，即φ＝０处，流速为零，边界层厚度为零。此后，在圆管壁上形成层流边界层，并随着φ角的增大而增厚。当厚度增加到肯定程度时，便过渡到紊流边界层。在圆管壁φ＝8０°四周处，流体脱离壁面并在圆管的后半部形成旋涡。
明显，流体温度的分布与流体的流淌有关，深受速度边界层的影响。流体呈层流状态时，流体微团沿相互平行的流线进展，没有横向流淌，不发生物质交换，壁面法线方向上的热量传递，根本上靠分子的导热进展，层内温度变化较大，温度分布呈抛物线型。对于紊流边界层，其中层流底层的热量传递也是靠导热，而在紊流核心层的热交换，除靠分子的导热外，主要靠流体涡流扰动的对流混合，从而使得层流底层的温度梯度最大，而在紊流核心层温度变化平缓比较均匀全都。
二、
从上节可以知道，在大多数状况下，影响无相变对流换热过程的换热系数 α的物理因素可归结为流体流态、物性、换热壁面状况和几何条件、流淌缘由四个方面。争论说明，对于管内受迫流淌，假设假定物性是常数，不随温度而变，争论的是平均对流换热系数。影响换热系数α的因素有流速V，管径D，流体密度ρ，动力粘度μ，比热cp和导热系数λ。

传热学5第五章

(0-4)第五章对流传热分析q = h (t w — t f ) W/m 2 =h (t w — t f ) A W、流动的起因和流动状态、流体的热物理性质本书采用国际单位制，各热物性的单位)如下: 1 •密度 p , k g / m 3; 2 •定压比热容C p , kJ /(k g K); 3.动力黏度Ns / m 2或 kg /( s m)u / y运动黏度=卩/pm 2/s4. 体积膨胀系数，1/ K;比体积v ，m 3/kg1v1v TpT P理想气体 =1/T ，对液体或蒸汽，由实验测定，可查附录物性表。

5.热导率入，W /(m K) ; a ， m 2/s 。

第一节对流传热概述图5-1几种常见的换热设备示意图、流体的相变四、换热表面几何因素h f u,t w, t f, ,C p, , , ,l (5-1)第二节对流传热微分方程组、对流传热过程微分方程式式中图5-3连续性方程的推导x 方向：M x udyM x M x dx M x x dxxy 方向：M y vdxM y M y dy M ydyy (5-3)、动量微分方程式tq xy w ,xW/m 2(1)q xh x (t wt f )xh x t x⑵th x tt xy w,x(5-2a)t t wh x ---------------------------Xy w,x(5-2b)其中wf x't f t w 01、连续性方程Y 卅严霧如图5-4动量微分方程的推导dxdy DUd(1) 微元体的质量X加速度：Du u u u= u v——d x yDv v v v= u v——d x y(2) 微元体所受的外力：体积力：X dx dyY dx dy表面力：(——-——汪)dx dyx y(—y——y ) dx dyy xu u u x yx x 方向：P ( u v ) = X + ----------------------------x y x yx y yx22z uuu 、p u u P (u v ) =X —+ 2 2 x yxxy22,vv v 、p v v P (uv ):=Y —+22 xyyxy(1)(2) (3)⑷vvvy xyy 方向： P ( u v ) = 丫 + —(5-4a)(4)黏滞x方向导入的净能量三(x+ x dx ) xy方向导入的净能量三2ydx dyx方向热对流传递的净能量三x—(x+ x dx) xdx dy⑴惯性力项，即质量与加速度之积；(2)体积力；⑶压强梯度; 力。

传热学-第五章

E bλ =
e
c2 (λT )
c1λ − 5 −1
式中，波长，黑体温度，式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 W⋅m2；第一辐射常数，3.742× c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 W⋅K；第二辐射常数，1.4388× 图５-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。温度的依变关系。 λm与的关系由Wien Wien位移 λm与T 的关系由Wien位移定律给出，定律给出，
d Ac d Ω = 2 = sin θ d θ d ϕ r
图５-8
立体角定义图
图５-9
计算微元立体角的几何关系
(5) 定向辐射强度L(θ,ϕ )：定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图５ 10。在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图５-10。 d Φ (θ , ϕ ) L (θ , ϕ ) = d A cos θ d Ω (6) Lambert 定律黑体辐射的第定律(黑体辐射的第
λ2
1
∆Eb =
∫λ
E bλ d λ
图５-7 特定波长区段内的黑体辐射力
黑体辐射函数: 黑体辐射函数:
Fb(λ1 −λ2 )
∫λ E λ dλ = 1 λ E dλ = 1 λ E dλ − λ E dλ = ∫λ λ σT ∫ λ ∫ λ E λ dλ σT ∫
b
1 2 2 1
图５-1２几种金属导体在不同方向上的定向发射率２ ε(θ )(t=150℃) ℃
前面讲过，黑体、灰体、前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，不完全与这些理想物体相同，比如， (1) 实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图５的辐射力的差别见图５-1３；(2) 实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；度的四次方成正比；(3) 实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert 定向辐射强度也不严格遵守 Lambert 定律，等等。定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。

传热学-第五章

传热学-第五章3-4-PPT

《传热学》资料第五章传热过程与传热器

第五章-传热学

传热学—第五章

传热学第五章对流换热

传热学第五章对流换热

第五章-传热学

传热学 第五章 对流换热

传热学第五章

传热学-第五章-对流原理.

传热学5第五章

传热学-第五章

传热学第五章对流换热