西安交大高等传热学热对流第一章讲解

Uniform wall temperature Uniform heat flux
高等传热学 Advanced Heat Transfer
表面传热系数 h
qw,x
t y
yw,x
流体温度场
特别是壁面附 近的温度分布
求 hx 的关键： t x, y, z,
温度场 受到流场的影响 数学上解方程
流场
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Chap. 1 Mathematic formulation
对流研究重要性： 学习特点：
回顾流体力学与传热学的发展，特别领会关键 时候处理问题的方法与思路。
由复杂到简单，再修正简单以适用复杂
分析解
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分析 采用数学分析求解的方法，有指导意义。 解法
通过大量实验获得表面传热系数的计 实验法 算式，是目前的主要途径。
比拟法
通过研究热量传递与动量传递的共性， 建立起表面传热系数与阻力系数之间
的相互关系，限制多，范围很小。
数值 与导热问题数值思想类似，发展迅速， 解法 应用越来越多。
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常见相似准则数的物理意义
1. 努塞尔数
Nu hl
tw t / tw t f
y/l
y0
Nu — 流体在壁面处法向无量纲过余温度梯度。
2. 雷诺数
Re ul
Re — 流体惯性力与粘性力的相对大小。
3. 普朗特数
Pr
a
Pr — 流体动量扩散能力与热量扩散能力相对大小。
4. 格拉晓夫数
思考：是对qx沿传热表面做积分平均，还是直接对hx做 积分平均？什么时候可以直接对hx做积分平均？
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hm＝
1 A
A hxdA
hm A tw,m t f ,m
A hx
tw,x t f ,x dA
t dA
A y yw,x
对流传热中常见两类边界条件：
Gr
gtL3 2
Gr — 流体浮升力与粘性力的相对大小。
高等传热学 Advanced Heat Transfer 相似准则数间的关系
形状（shape） 尺度(scale)
内流（internal flow） 外流（external flow）
相对位置(relative position) 表面粗糙情况(surface roughness)
4.传热过程有无相变(phase change) Boiling, Condensation
高等传热学 Advanced Heat Transfer 5.流体的物性(The thermophysical properties)
Nunforced
Nun natural
n=3-4. 流动方向相同，+；流动方向相反，-
高等传热学 Advanced Heat Transfer 2.流体流动状态(The flow regimes)
Laminar flow Turbulent flow
流体力学实验：一滴红墨 水滴到流体中
Re ud
Continuity Eq. Mass conservation law Momentum Eq. Momentum conservation law
温度场 Energy Eq. Energy conservation law
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五、研究对流传热的方法
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二、影响对流传热的因素
1.流动起因(The cause of motion)
Forced convection
Natural convection
Mixed convection
强制对流
0.1 Gr 10 Re2
自然对流
Numn ixed
四、对流传热基本计算式
由傅里叶定律
qw
t y
yw,x
牛顿冷却公式 qc h tw,x t
பைடு நூலகம்
y t∞ u∞
qw qc
hx＝－
tw,
x
t
t y
yw,x
qw
1.t∞：外部流动，取远离壁面的流体温度, t∞
2.t∞：内部流动，取管道截面平均流体温度, tb
udA
um
Ac
Ac
tb
Ac cptudA Ac cp udA
1883年，Reynolds
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Reynolds Tube Experiment (1883)
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3.传热表面几何因素(The geometric factors)
tw x
高等传热学 Advanced Heat Transfer 3.注意上式与导热问题IIIBC的差别 (1)导热问题中，h已知，此处h为未知值
(2)导热问题中，λ为固体导热系数，此处λ为流体导
热系数
(3)导热问题中，t为固体温度，此处t为流体温度
4.上式h为局部表面传热系数，而求整个表面的表面 传热系数应把牛顿冷却公式用于整个表面得出
六、 相似原理及量纲分析
实验研究仍然是解决复杂对流传热问题的主要方 法, 相似原理则是指导实验研究的理论。
h f (u, , cp , , , l)
相似原理可以回答如下问题：
如何安排实验？并应该测量哪些量？
实验后如何整理实验数据？
获得的结果可以推广应用的条件是什么？
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1. 定义
§1-1 Introduction
对流：流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体 相互掺混所引起的热量传递过程。
高等传热学 Advanced Heat Transfer 对流传热：流体流过固体壁面时所发生的热 量传递过程。
特点：仅能发生在流体中；宏观位移；伴随导热； 对流传热机理与紧靠壁面的一层薄膜导热相关
, , cp ,, r
h f (u, tw, t f , , cp, , , l, )
前4类影响因素构成将对流传热进行分类的基架 流体的物性通过一个特殊的无量纲数来专门予以反映
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三、对流传热的分类(classification)
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