传热学--对流传热理论基础
《传热学》第5章_对流传热的理论基础分析
动量守恒定律
能量守恒定律
t t t 2t 2t u v 2 2 x y c p x y
12
第5章 对流传热的理论基础
2. 定解条件 (1)规定边界上流体的温度分布(第一类边界条件)
(2)给定边界上加热或冷却流体的热流密度(第二类边界条件)
1
第5章 对流传热的理论基础
5.1 对流传热概说
5.1.1 对流传热的影响因素
影响流动的因素和影响流体中热量传递的因素包括:
1. 流体流动的成因:强制对流or自然对流 2. 流体有无相变:流体显热or相变热
3. 流体的流动状态:层流or湍流,后者较大
4. 换热表面的几何因素:形状、大小、相对位置、换热表面状态 5. 流体的物理性质:密度、粘度、导热系数等等
(2) 稳态的对流问题,非稳态项消失,公式(5-6a)可以改写为:
2t 2t 对流项为速度矢量与温度梯度的点积 c p U gradt x 2 y 2 (3) 如果流体中有内热源,那么直接在(5-6)右端添加内热源项:
2 2 2 u v u v x, y 2 y y x x
第5章 对流传热的理论基础
复习:
对流传热:流体经过固体表面时流体与固体间的热量交换。
对流传热的表达形式——牛顿冷却公式:
Ahtm
t m 是流体与固体表面间的平均温差,总取正值。
关键点:表面传热系数h的定义式,没有揭示表面传热系数与影响它的 各物理量之间的内在联系。 主要内容:(1) 对流传热过程的物理本质 (2) 对流传热的数学描述方法 (3) 分析解的应用 关键点:(1) 掌握各种数学表达式所反映的物理意义 (2) 理解对流传热过程的物理本质
传热学——概念汇总
概念汇总1.绪论1.传热学:研究热量传递规律的科学。
2.热量传递的基本方式:导热、对流、辐射。
3.热传导(导热):物体的各部分之间不发生相对位移,依靠微观粒子的热运动产生的热量传递现象。
4.纯粹的导热只能发生在不透明的固体之中。
5.热流密度:通过单位面积的热流量(W╱m2)。
6.热对流:由于流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递现象。
7.热对流只发生在流体之中,并伴随有导热现象。
8.自然对流:由于流体密度差引起的相对运动。
9.强制对流:由于机械作用或其他压差作用引起的相对运动。
10.对流换热:流体流过固体壁面时,由于对流和导热的联合作用,使流体与固体壁面间产生热量传递的过程。
11.辐射:物体通过电磁波传播能量的方式。
12.热辐射:由于热的原因,物体的内能转变成电磁波的能量而进行的辐射过程。
13.辐射换热:不直接接触的物体之间,由于各自辐射与吸收的综合结果所产生的热量传递现象。
14.传热过程:热流体通过固体壁面将热量传给另一侧流体的过程。
15.传热系数:表征传热过程强烈程度的尺寸,数值上等于冷热流体温差1K时所产生的热流密度[W╱(m2•K)]16.单位面积上的{传热热阻:R k=1k。
导热热阻:Rλ=δλ。
对流换热热阻:R h=1h。
17.热流量:单位时间内所传递的热量。
18.对比串联热阻大小就可以找到强化传热的主要环节。
19.单位:物理量的度量标尺。
20.基本单位:基本物理量的单位。
21.导出单位:由物理含义导出,以基本单位组成的单位。
22.单位制:基本单位与导出单位的总和。
23.导热系数,表面传热系数和传热系数之间的区别:导热系数是表征材料导热性能优劣的参数,即是一种物性参数。
不同材料的导热系数值不同,即使是同一种材料,导热系数值还与温度等因素有关。
表面传热系数是表征对流换热强弱的参数,它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置,而且还与流速有密切的关系,是取决于多种因素的复杂函数。
传热学(第9章--对流换热)
— —
横向节距 纵向节距
23
9-3 流体有相变时的对流换热
一、凝结换热
1.特点:
——蒸汽和低于饱和温度的冷壁面相接触时会发 生凝结换热,放出凝结潜热。(如电厂中:凝汽 器和回热加热器内,管外蒸汽与管外壁的换热)
➢两种凝结方式:根据凝结液体依附在壁面上的形
态不同分.
tw ts
1)膜状凝结:凝结液体能润湿壁面,
腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。
34
炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化
35
各种对流换热比较
液体对流换热比气体强;
对同一种流体,强制对流换热比自然对流换热强;
紊流换热比层流换热强;横向冲刷比纵向冲刷强;
有相变的对流换热比无相变换热强。
表9-5 各种对流换热平均换热系数的大致范围
换热系数 α[w/(m2.K)]
二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改 性处理,能在实验室条件下实现连续的珠状凝结,但在工 业换热器上应用,尚待时日。
26
2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素:
(1)蒸汽中含有不凝结气体的影响 ➢ 蒸汽中含有不凝结气体(如空气)时,即使含量极微,
也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在 液膜外侧聚集而形成一层气膜,使热阻大大增加,从而恶 化传热。
21
(1)管束排列方式的影响
s1
s1
s2
顺排
s2
叉排
叉排:换热系数大,但流动阻力大. 顺排:换热系数小,但流动阻力小.
22
s1
s1
s2
s2
顺排
叉排
(2)流动方向上管排数的影响
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系 数的影响直到20排以上的管子才能消失。
传热学-第四章 对流换热的理论分析第一讲-动力工程
对流换热过程微分方程式
h(x Tw
T)
T y
w, x
与导热中的第三类边界条件有何本质差异?
流体中的温度梯度 流体的热物性
4-2 对流换热过程的数学描述
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
4-1 对流换热概述
一、对流换热
1、定义:流体与固体壁直接接触、且存在相对运 动时所发生的热量传递过程
Tw T
对流换热与热对流不同 不是基本传热方式
对流 & 对流换热
对流,流体中温度不同的各部分之间,由于相对的 宏观运动而把热量从一处迁移至另一处的过程
流体在作相对宏观运动的同时,分子的微观运动并 没有停止,也就是说流体微团内部还以导热方式传递 热量,这一作用习惯上称为扩散作用
(2)动量传递和热量传递的类比法 利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律,由湍 流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数
(3)实验法 用相似理论指导
四、对流换热过程的单值性条件
单值性条件:能单值地反映对流换热过程特点的条件 完整数学描述:对流换热微分方程组 + 单值性条件 单值性条件包括四项:几何、物理、时间、边界 1、几何条件 说明对流换热过程中的几何形状和大小
速度边界层
在紧靠壁面的流体薄层内,由于分子导热,热量从 壁面传递到流体中
当热量通过导热自壁面传入流体后,一部分以焓的 形式被运动着的流体带向下游-----热对流;另一部分 则以热量的形式通过导热传向离壁面稍远的流体层----热扩散
热扩散
热对流
被加热的流体向前运动,带走了一部分热量,从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少;流体中的温 度变化率也逐渐衰减
传热学对流传热原理
+v
t y
=
cp
2t x2
+
2t y2
4个方程,4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和温度场(t) 以及压力场(p), 既适用于层流,也适用于湍流(瞬时值)
➢ 边界层型对流传热问题的数学描写
动量方程中的惯性力项和能量方程中的对流 项均为非线性项,难以直接求解
边界层理论
简化
流动
普朗特 速度边界层
2t y2
→固体中的热传导过程是介质中传热过程的一个特例。
稳态对流换热微分方程组:
(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
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
)
hx
t
t
y
w
,x
u
t x
5.4 相似原理与量纲分析
1、目的—— 简化实验 • 减少自变量的个数
1
1
hx x
0.332
u x
2
3
v a
Nu x
0.332
Re
1 x
2
Pr
1
3
• 缩小实验模型的尺寸 • 反映同一类现象的规律性
建立基于相似理论的实验关联式
(1)相似分析法;(2)量纲分析法
控制方程的无量纲化
二维、稳态、常物性、不可压缩、不计重力、无内热源、 无粘性耗散、牛顿流体的外掠平板强迫对流换热。
• y=0:u = 0, v = 0, t = tw
传热学5
分析 解法
采用数学分析求解的方法。
传热学 Heat Transfer
2.如何从获得的温度场来计算h 无论是分析解法还是数值法首先获得都是温度场, 如何由T→h? t q 由傅里叶定律 w y
y 0
牛顿冷却公式
q w qc
qc h t w t
y
主流区
u∞
d 5 .0 离开前缘x处的边界层厚度 x Re x
局部表面传热系数
1/ 2 1/ 3 hx 0.332 Re x Pr x hx x 0.332 Re x1/ 2 Pr 1/ 3 Nu x 努塞尔数
(特征数方程,关联式)
u x 雷诺数: Re x 5 Re Re 5 10 关联式适用范围: c
25/42
传热学 Heat Transfer
1.数量级分析方法的基本思想 分析比较方程中等号两侧各项的数量级大小,在 同一侧内保留数量级大的项而舍去数量级小的项 2.实施方法 ①列出所研究问题中几何变量及物理变量的数量 级的大小,一般以1表示数量级大的物理量的量级。 以Δ表示小的数量级 ②导数中导数的数量级由自变量及因变量的数量 级代入获得
2t t t 2t c p u x v y x 2 y 2
28/42
传热学 Heat Transfer
5.4流体外掠平板传热层流 分析解及比拟理论
29/42
传热学 Heat Transfer
一、外掠等温平板层流流动下对流换热问 题的分析解
u v 0 x y
u u u p 2u 2u ( u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y v v v p 2v 2v ( u v ) Fy ( 2 2 ) x y y x y
传热学考研题库【章节题库】(对流传热的理论基础)【圣才出品】
越大,粘性的影响传递的越远,速度边界层越厚,分母则表征了热扩散的能力。因此,两者
相比,基本上可以反映边界层的相对厚度。
2.温度同为 20℃的空气和水,假设流动速度相同,当你把两只手分别放到水和空气中, 为什么感觉却不一样?
答:把手放在相同温度的水和空气中感觉不一样的原因: (1)尽管水和空气的流速和温度相同,由于水的密度越为空气的 1000 倍,而动力粘 度则相差不多,在相同的特征尺度下,所当将手放入水中的以雷诺数要远大于放入空气中的 雷诺数,因此,放入水中的努赛尔数大; (2)另一方面,又由于水的导热系数大于空气的导热系数,所以,当将手放入水中时 的对流换热系数远远大于放入空气中的对流换热系数,因此,感觉却不一样。
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台
第 5 章 对流传热的理论基础
一、判断题 1.对流换热系数只与流体掠过固体壁面的速度有关。 【答案】错
2.对于对流换热,如果流体的温度高于壁面温度,流体总是被冷却。 【答案】错
3.在对流换热问题中,流体的温度高于壁面温度时,流体不一定被冷却。 【答案】错
3.对于流体外掠平板的流动,试利用数量级分析的方法,说明边界层内垂直于平板的 速度与平行于平板的速度相比是个小量。
答:边界层内垂直于平板的速度与平行于平板的速度相比是个小量的原因:
设流体的来流速度为 u ,平板的长度为 L,边界层厚度为 ,由边界层理论知 L 。
2 / 26
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台
7.冬天,在相同的室外温度条件下,为什么骑摩托车比步行时感到更冷些,一般要戴 皮手套和护膝?
答:在相同的室外温度条件下骑摩托车比步行时感到更冷些的原因: (1)因为强制对流换热强度与流体壁面之间的相对速度有关,相对速度越大,对流换 热越强。与步行相比,骑摩托车时相对速度较大,对流换热强度大些,因此人体会散失较多 的热量从而感到更冷些; (2)皮手套和护膝,由于透气性差、导热系数小,增加了传热热阻,降低了散热量, 从而起到保护作用。
(精品)传热学课件:对流传热
hx
t
t y
w,x
计算当地对流传热系数 hx
§5-2 对流传热问题的数学描写
对流传热系数的确定方法
1 微分方程式的数学解法
a. 精确解法(分析解):根据边界层理论,得到
边界层微分方程组 常微分方程
求解
b. 近似积分法: (本课程不介绍) 假设边界层内的速度分布和温度分布,解积分方程
c. 数值解法:近年来发展迅速(本课程不介绍) 可求解很复杂问题:三维、紊流、变物性、超音速
2v y2 )
c
p
t
u
t x
v
t y
2 t x 2
2t y 2
h x
tw
t
t
y
y 0, x
§5-2 对流传热问题的数学描写
前4个方程,4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和温度场(t) 以及压力场(p), 既适用于层流,也适用于紊流(瞬时值)
前面4个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却微分方程:
§5-1 对流传热基本概念
对流传热过程微分方程式
hx
tw
t
t y
w,x
hx 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。
速度场和温度场由对流传热微分方程组确定:
质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
cp
2t x2
+
2yt2
u
t x
v
t y
t
§5.2 对流传热问题的数学描写
二、对流传热微分方程组: 4个未知量: u、v; t; p (常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
传热学-对流换热PPT课件
对流换热:工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 自然界中的种种对流现象 电子器件冷却 强制对流与自然对流
沸腾换热原理 空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
➢ 热对流(Convection)
流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间,由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量)→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑(有碍流体流动,不利于热对流)→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑(自然对流换热增强)→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度, 从而影响对流换热系数。
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
五、 流体有无相变(流体相变):
单相换热 Single phase heat transfer: 相变换热 Phase change:
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多, 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层(贴壁流体层)
流体在做湍流运动时,在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流,称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加(即Re增加) 而减薄。
湍流核心
层流底层
二、边界层
(一)速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时,
由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响,壁面附近的流体速度 会减小,即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图,见右图。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
传热学第五章对流传热的理论基础
实验数据如何整理(整理成什么样函数关系) 强制对流:Nu f (Re,Pr); Nux f ( x' , Re,Pr)
自然对流换热:Nu f (Gr, Pr) 混合对流换热:Nu f (Re, Gr, Pr)
Nu — 待定特征数 (含有待求的 h)
Re,Pr,Gr — 已定特征数
特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确 定需要通过理论分析,同时又具有一定的经验性。
2
流体流过固体表面时,。。。
普朗特边界层理论:粘性流体流过固体表面时,粘滞性 起作用的区域仅仅局限在靠近壁面的薄层内。
3
2. 对流传热系数
u∞ ; t ∞
tw
由傅里叶定律:
q t y w
W m2
对流传热的定义式: q ht h tw t [W/m2 ]
在边界层不脱落的前提下:
q ht = t y w
x为当前点与板前缘的距离。 Pr=
a
1
1
hx x
0.332
u x
2
a
3
Nux 0.332Re1x 2 Pr1 3
上述理论解与实验值吻合。
注意:层流
18
2. 对于外掠平板层流分析解的几个讨论
(1)局部对流传热系数,平均对流传热系数
局部对流传热系数
Nux
hx x
11
0.332Rex 2 Pr 3
第五章 对流传热的理论基础
1
5.1 对流传热概述
1. 对流传热的定义、研究对象
流体流过固体表面时,流体与固体之间的热量传递。
工程上约定的计算习惯:
若tw t,Φ hA(tw t ) W 若tw t,Φ hA(t tw ) W
第五章 对流传热的理论基础
机理:既有导热,又有热对流。(为什么?)
6
对流传热概说
对流传热的换热量用牛顿冷却公式计算。对单位面积有:
q ht
对于面积为A的接触面有:
Ah t m
式中:h——表面传热系数,也称对流换热系数,单位是W/m2· K。 A——与流体接触的物体壁面面积。 Δtm——换热面A上流体与固体表面的平均温差,永远为正值。
23
对流传热概说
h
t t y
y0
(5-4)
这两种边界条件问题的共同点就是要解出流体内的温度分布, 即流体的温度场。 第三类边界条件表达式:
t h tw t f n w
(2-17)
式(5-4)中,对流换热系数h为待求量,第三类边界条件 式(2-17)中对流换热系数h和流体温度tf为已知量。
热力学能的增量为:
t d ,其
t U c p dxdy d
33
对流传热问题的数学描写
(3)以x方向为例,在d τ时间内,由x处的截面进入微元
体的焓为:
H x c p utdyd
而在相同的d τ时间内,由x+dx处截面流出微元体的焓为
u t H x dx c p u dx t dx dyd x x
30
对流传热问题的数学描写
简化后的微元体能量平衡方程为:
U (qm )out hout (qm ) in hin
式中: ; Φ——通过界面由外界导入微元体的净热流量; qm——质量流量;
h ——流体的比焓;
U——微元体的热力学能;
31
对流传热问题的数学描写
(1)通过界面由外界导入微元体的净热流量Φ:(见2.2节推导)
河海大学传热学--第五章对流传热的理论基础PPT课件
34 18.07.2020 4:47 杨祥花
• 例1
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
35 18.07.2020 4:47 杨祥花
§5-3 边界层型对流传热问题的数学描写
边界层概念:当粘性流体流过物体表面时,会形成速度梯
度很大的流动边界层;当壁面与流体间有温差时,也会产
生温度梯度很大的温度边界层(或称热边界层)
综合:对流换热微分方程组
u v 0 x y
( u u u x v u y) F x p x( x 2 u 2 y 2 u 2)
v v v
p 2 v 2 v
( u x v y) F y y( x2 y2)
tu x tv y tcp( x2t2 y2t2)
hx
第五章 对流传热 的理论基础
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
1 18.07.2020 4:47 杨祥花
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
前言
点击此处输入 相关文本内容
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
点击此处输入 相关文本内容
2 18.07.2020 4:47 杨祥花
???xtdyx???ytdxy1单位时间以导热的方式进入流体微元的单位时间以导热的方式进入流体微元的净热流量导热为河海大学常州校区热能与动力工程系传热学2018年1月3日5时2分杨祥花???????xdxxxtdxdydxxxx???????ydyyytdydxdyyyy22???xxdxtdxdyx22???yydytdxdyy2222导热????ttdxdyxy河海大学常州校区热能与动力工程系传热学2018年1月3日5时2分杨祥花2单位时间以对流方式进入元体的净热流对流为xpctudyypctvdx?xxdx???xxdxx???pcutdydxx?yydy???yydyy???pcvtdxdyy对流??????ppcutdycvtdxdxdyxy??????pputvtcdxdycdxdyxy???????????????pttuvcuvttdxdyxyxy
传热的理论基础
������ +
������ ������/������ ������
������������������ = 2300~104& ������������ = 1.5~500 &
4.粗糙管:
������������
=
������ ������
������������−������/������
������ = ������������������������������������������
������������������ ������.������������
������������������
������������������ ������������������
= 0.05~20
热设计概述
-传热的理论基础
三、对流换热分析(流体&固体壁):如何确定表面传热系数ℎ
5.自然对流换热
2.微分方程组:
对流换热微分方程 连续性方程 动量微分方程 能力微分方程
速度场
温度场
表面传热系数
热设计概述
-传热的理论基础
三、对流换热分析(流体&固体壁):如何确定表面传热系数ℎ
3.边界层:
3.1流动边界层:牛顿��� = ������ ������������
牛顿冷却公式:
������ = ℎ������∆������ = ℎ������ ������������ − ������������ ������
对流换热表面传热系数 ℎ ������/������2 ∙ ������ :流体与固体壁之间具有单位温差时在单 位面积上每单位时间的导热量。---受压力以及温度影响(尤其液体和气体特别 考虑压力及温度条件)
传热学-第5章-对流传热的理论基础与工程计算[用]
25
壁面的摩擦力通过粘性向流体内部传递
使壁面附近流体速度远远小于来流速度
离开壁面距离的增加:壁面的阻滞作用减弱,流
体的速度逐渐恢复
26Biblioteka ❖ 将壁面附近速度存在强烈变化的流体薄层称为 速度边界层(Velocity boundary layer)
h f (v, tw, t f , , cp , ,,, l,Ω)
21
6、对流换热的分类:
❖ 对流换热:导热 + 热对流;壁面+流动
❖ 由于流动起因的不同,对流换热分为强制对流换热与 自然对流换热两大类;
❖ 粘性流体存在着层流及湍流两种不同的流态,分为层 流对流换热与湍流对流换热;
❖ 按照流体与固体壁面的接触方式,对流换热可分为内 部流动换热和外部流动换热;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
h Φ ( At) W (m2 K)
h——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积
上、单位时间内所传递的热量
如何确定h及增强换热的措施是对流换热 的核心问题
8
5、影响对流换热系数的因素
❖ 流体流动的起因 ❖ 流体有无相变 ❖ 流体的流动状态 ❖ 换热表面的几何因素 ❖ 流体的物理性质
9
(1) 流动起因
14
传热特点 层流-热量传递主要依靠分子扩散作用,即热量传递靠
导热。 湍流—热量传递除了导热外,更多地依靠热对流作用
h湍流 h层流
15
注意!
不能将流动状态和流动的起因简单地一一对 应起来。事实上,层流和湍流既可能发生在强迫 流动中,也可能发生在自然对流中。
16
传热学复习 (1)
单值性条件(定解条件)(思考题8)
几何条件、物理条件、 初始条件 边界条件
第一类、第二类、第三类(思考题9、10) 第四类边界条件
热扩散系数 a
c
物性参数、物理意义 与导热系数的联系与区别(思考题17)
保温材料(思考题4)
2-2 物质的导热特性
不同物质的导热系数相差很大
一般情况下, 固体 > 液体 > 气体
同一种物质 晶体>非晶体
同一种物质 固态 > 液态 > 气态
0.0183
各向异性材料——木材、石墨、云母、动植物的肌肉和纤维组织等。
直角坐标系中导热微分方程的简化处理
t t t 一般形式 ( ct ) ( ) ( ) ( ) x x y y z y
变导热系数 ( 0 1 bt)
算术平均温度:tm
tw1 tw 2 2 平均导热系数:m 0 (1btm )
(习题3-5、3-9、3-11)
多层壁: t w1 twn 1
i i 1 i A
n
l
tw1 twn 1 n ri 1 1 ln ri i 1 2i
一般情况下,
固体 液体 气体
金属 非金属
金属 2.3~430 W (m K)
液体 0.07~0.7 W (m K)
气体 0.006~0.6 W (m K)
纯金属 合金
晶体 非晶体
20C常温下
空气 =0.0259 水 =0.599
物体的发射率 (物性参数)
2 传热系数k W/(m K)
传热过程
kA(t f 1 t f 2 ) q k (t w t f )
第五章对流传热理论基础
简化
流动
普朗特 速度边界层
类比
对流换热
波尔豪森 热边界层
38
传热学
一、流动边界层
1、流动边界层及其厚度 定义:当流体流过固体壁面时,由于流 体粘性的作用,使得在固体壁面附近存 在速度发生剧烈变化的薄层称为流动 边界层或速度边界层。
实际流动 ≈ 边界层区粘性流动+主流区无粘性理想流动
大空间自然对流 有限空间自然对流
沸腾换热 有相变
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾
管外凝结 管内凝结
14
传热学
六、研究对流传热的方法(确定h的方法)
四种:1)分析法;2)实验法;3)比拟法;4)数值法
适当介绍
重点介绍 一定介绍
不作介绍
1)分析法
解析:二维、楔形流、平板 边界层积分方程(近似解析)
2)实验法
u∞
y δ
0x xc
粘性底层
掠过平板时边界层的形成与发展
湍流核心 缓冲层
41
传热学
层流: 流体做有秩序的分层流动,各层互不干扰,只有分子扩散,
无大微团掺混
湍流: 流体微团掺混,紊乱的不规则脉动
粘性底层 :速度梯度较大、分子扩散—导热
湍流边界层
缓冲层 :导热+对流 湍流核心 :质点脉动强化动量传递,速度变化
换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的 相对位置及换热表面的状态(光滑或粗糙)
内部流动对流传热:管内或槽内 外部流动对流传热:外掠平板、圆管、管束
10
传热学
11
传热学
(5) 流体的热物理性质:
热导率 [W (m C)] 比热容 c [J (kg C)]
- 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)。
4)动力粘度η,Pa⋅s;运动粘度ν=η/ρ,m2/s。流体的粘度影响速度分布
与流态,因此影响对流换热;
定性温度 对于同一种不可压缩牛顿流体,其物性参数的数值主要随温度而变化。用来 确定物性参数数值的温度。称为定性温度。在分析计算对流换热时,定性温 度的取法取决于对流换热的类型。
ΔUK=0、 Q内热源=0
W=0
Q = ΔE + W
Q导热 + Q对流 = ΔU热力学能
5.2.1 运
=λ
∂ 2t ∂x 2
dxdy +λ
∂ 2t ∂y 2
dxdy
单位时间内、 沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量:
Qx"
−
Qx"+dx
=
Qx"
−
⎜⎜⎝⎛ Qx"
连续性方程
∂τ
∂τ
− ∂(ρu) dxdy
∂x
− ∂(ρv) dxdy
∂y
= ∂ρ dxdy ∂τ
5.2.1 运动流体能量方程的推导
一、连续性方程(质量守恒方程)
− ∂(ρu) dxdy
∂x
− ∂(ρv) dxdy
∂y
=
∂ρ ∂τ
dxdy
∂ρ + ∂ρu + ∂ρv = 0 ∂τ ∂x ∂y
对于二维、稳定、常物性流场 :
+v
∂v ) ∂y
=
Fy
−
∂p ∂y
+
η
(
∂ 2v ∂x2
+
∂ 2v ∂y 2
)
说明
只有重力场作用时
强迫对流换热:忽略重力项; 自然对流换热:浮升力起重要作用。
5.2.1 运动流体能量方程的推导
三、能量守恒方程 描述流体温度场—— 能量守恒
[导入与导出的净热量] + [热对流传递的净热量] + [内热源发热量] = [总能量的增量] + [对外作膨胀功]
qx
0
u∞ u x
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:
q = −λ ∂t
∂y y=0
W m2
⎡⎣
⎤⎦
W (m C)
λ − 流体的热导率 ( , ⎡⎣0 )
D ⎤⎦
(∂t ∂y)y=0 —在坐标 x 处流体的温度梯度
5.1 对流传热概述
8. 如何从解得的温度场计算表面传热系数
9 h —固体表面的平均表面换热系数。
流动方向 u∞
tf
u
t
tw
Φ
9 tw — 固体表面的平均温度。 9 tf — 流体温度。 • 外部绕流(外掠平板,圆管)
wall
平壁上的对流换热
tf
tf 为流体的主流温度。
• 内部流动 (各种形状槽道内的流动)
外部绕流
tf 为流体的平均温度。
d
4 表面传热系数(对流换热系数)
速的大小及其分布、表面粗糙度等 ⇒ 温度场取决于流场
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定:
质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
5.2 对流传热问题的数学描写
对流传热问题完整的数学描述:
对流传热微分方程组 + 定解条件
质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程
假设
(a) 流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与
整个流场呈一簇互相平行的流线;流速缓慢,流体分层
Laminar flow
地平行于壁面方向流动,垂直于流动方向上的热量传递 主要靠分子扩散(即导热)。
¾ 流速缓慢; ¾ 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动; ¾ 热量传递:主要靠导热(垂直于流动方向)
u∞ tf
u∞ uq
导热
0 层流边界层
x
u∞
u
导热
q
管内层流流动
5.1 对流传热概述
5 对流换热的影响因素
(2) 流动状态
层流
整个流场呈一簇互相平行的流线;流速缓慢,流体分层
Laminar flow
地平行于壁面方向流动,垂直于流动方向上的热量传递 主要靠分子扩散(即导热)。
湍流
流体质点做复杂无规则的运动;流体内存在强烈的脉动
和旋涡,使各部分流体之间迅速混合,因此湍流对流换
5.1 对流传热概述
5 对流换热的影响因素 (3) 流体有无相变
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
h相变 > h单相
Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water
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
5.1 对流传热概述
5 对流换热的影响因素
(5) 流体的物理性质
1)热导率λ,W/(m⋅K), λ愈大,流体导热热阻愈小,对流换热愈强烈; 2)密度ρ,kg/m3 3)比热容c,J/(kg⋅K)。 ρc反映单位体积流体热容量的大小,其数值愈
6 对流换热的分类
5.1 对流传热概述
7 对流换热的研究方法
1. 分析法: 指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定解
条件进行数学求解,从而获得速度场和温度场的分析解。 可得出精确解或近似解。适用简单问题。 2. 数值法:
对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出预测。 3. 实验法;
相似原理和量纲分析理论。 4. 比拟法:
(1)单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量:
M
x
−
M x+dx
=
−
∂M x ∂x
dx
=
−
∂(ρu)
∂x
dxdy
单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量:
M
y
−
M
y + dy
=
−
∂M y ∂y
dy
=
−
∂(ρv)
∂y
dxdy
(2)单位时间内微元体内流体质量的变化: ∂(ρdxdy) = ∂ρ dxdy
第5章 对流传热的理论基础 主要内容:
5-1 对流传热概述 5-2 对流传热问题的数学描写 5-3 边界层型对流传热问题的数学描写 5-4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论
5.1 对流传热概述
1 对流传热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传 递现象。
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
利用流体动量传递和热量传递的相似机理,建立 表面传热系数和阻力系数之间的相互关系。
5.1 对流传热概述
8. 如何从解得的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(即:y=0, u=0)
导热 y u∞
建立方程的思路
单位时间流进和流出微元体的质量流量差(1)=微元体质量随时间的变化率(2)。
(1)单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量:
M x = ρudy
M x+dx
=
Mx
+
∂M x ∂x
dx
M
x
−
M x+dx
=
−
∂M x ∂x
dx
=
−
∂(ρu)
∂x
dxdy
5.2.1 运动流体能量方程的推导
一、连续性方程(质量守恒方程)
5.2.1 运动流体能量方程的推导
二、动量微分方程
ρ DV = F − grad p + μ∇ 2V Dτ
惯性力 体积力 压力梯度 粘性力
¾ x方向:
ρ ( ∂u ∂τ
+
u
∂u ∂x
+
v
∂u ) ∂y
=
Fx
−
∂p ∂x
+
η
(
∂ ∂
2u x2
+
∂ ∂
2u y2
)
¾ y方向:
ρ
(
∂v
∂τ
+u
∂v ∂x
2 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
5.1 对流传热概述
3 对流换热的基本计算式 Φ = Ah(t w −t f ) q= h(tw − t f ) = hΔt
h = Φ ( A(tw − t f ))
管内流动
当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
5.1 对流传热概述
5 对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影 响因素主要有以下五个方面:(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无 相变; (4)换热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质
(1) 流动起因 影响流体的速度分布与温度分布。
强迫对流换热 force convection
自然对流换热 natural convection 一般的说,自然对流的流速较低,因此自然对流换热通常要比强迫对流换 热弱,表面传热系数要小。
5.1 对流传热概述