《热工学基础》对流换热 ppt课件

有相变沸 凝腾 结换 换热 热管 大 管 管内 容 内 外的 器 凝 凝沸 内 结 结腾 的 换 换换 沸 热 热热 腾换热
图7.1 对流换热分类
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
7.1.2 对流换热的机理
流体的流动状态可以分为两种类型：一种是流体质点 始终沿流向作直线运动，质点和流层间彼此不掺混， 这种流动状态称为层流；另一种是流体质点不仅有沿 流向的运动，还有垂直于流向的运动，流层间相互掺 混，这种流动状态称为紊流。在紊流中，由于流体的 质点相互掺混，碰撞更为强烈，因此对流换热效果会 更强。
7.1.1 对流换热的概念
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。在这一过程中，不仅有离壁面较远处 流体的对流作用，同时还有紧贴壁面薄层流体的导热 作用。因此，对流换热实际上是一种由热对流和导热 共同作用的复合换热形式。 对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对 流换热；按流体是否有相变分为相变对流换热和无相 变对流换热；相变对流换热又分为凝结换热和沸腾换 热。可以把对流换热分成以下几类，如图7.1所示：
高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材
热工学基础
RE GONG XUE JI CHU
第二部分 单元7 对流换热
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单元7 对流换热
单元7 对流换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（4） 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式┄┄┄┄┄┄┄（5） 7.1.1 对流换热的概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5） 7.1.2 对流换热的机理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（7） 7.1.3 牛顿冷却公式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（11） 7.1.4 影响对流换热系数的主要因素┄┄┄┄┄（13） 7.2 对流换热计算概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（18） 7.2.1 对流换热准则数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（19） 7.2.2 准则数之间的关系┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（23） 7.2.3 定性温度与特征尺寸┄┄┄┄┄┄┄┄┄（25） 7.2.4 换热计算的一般步骤┄┄┄┄┄┄┄┄┄（28） 7.3 单相流体对流换热计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（29） 7.3.1 管内流体强制对流换热计算┄┄┄┄┄┄（29） 7.3.2 管外流体强制对流换热计算┄┄┄┄┄┄（36）
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单元7 对流换热
【知识点】 牛顿冷却公式，强制对流换热，自然对流换热，凝结 换热，沸腾换热。 【能力目标】 掌握：各种对流换热的基本概念。 理解：强制对流换热和自然对流换热及其特征。 熟悉：各公式的适用范围以及各种相关参数的合理选
择。 应用：能应用相关概念和公式进行对流换热分析和计
பைடு நூலகம்算。
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
（1）流体流动的起因
流体在壁面上流动的原因有两种：一种是自然对流， 另一种是强制对流。一般地说，强制对流的流速较自 然对流高，因而对流换热系数也高。例如空气自然对 流换热系数约为5～25 W/（m2·℃），强制对流换热 系数可达10～100 W/（m2·℃）；再如受风力影响， 房屋墙壁外表面的对流换热系数比内表面高出一倍以 上。
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
内部流动圆 非管 圆内 管强 内制 强对 制流 对换 流热 换热
对流换热无相变自强然制对对流流大 有外空 限部间 空流的 间动自 的流 流 流然 自体 体 体对 然流 在 流流 对过 圆 过换 流单 管 平热 换根 束 板热圆 外 的管 流 对外 过 流壁 的 换的 对 热对 流流 换换 热热
以流体在管内流动为例，流体的流动状态在沿流向x轴 方向和与流向垂直的y轴方向都有变化。如图7.3所示。
图7.2 速度边界层
图7.3流体的流态
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
（1）流体在流动方向x上的流态变化 在流体入口处，粘滞力起主导作用，速度梯度相当大， 流体呈现层流状态，形成层流段。流体继续流动，层 流边界点开始逐渐偏离壁面，向y方向移动。当流体 到达一定距离时，流体的惯性力逐渐强于流体的粘滞 力，使边界层内的流动变得不稳定起来，流态朝着紊 流方向过渡，形成过渡段。随着流动的距离继续增加， 流体呈现旺盛紊流状态，形成紊流段。 （2）紊流段中流体在y方向上的流态变化 由于紧贴壁面处的粘滞力仍起主导作用，致使贴附于 壁面的极薄层的流体仍保持层流的状态，这一薄层流 体称为层流底层。底层之上即为紊流层。
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
7.1.3 牛顿冷却公式
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
7.1.4 影响对流换热系数的主要因素
如前所述，对流换热是对流和导热共同作用的结果， 那么所有支配这两种作用的因素，诸如流动的起因、 流动状态、流体物性、物相变化、壁面的几何参数、 管路的振动等等，都会影响对流换热系数α。
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
当流体在壁面上流动时，其紧贴壁面的极薄的层流底 层相对于壁面几乎是不流动的。壁面与流体间的热量 传递必须通过这个层流底层，热量传递的方式只能是 导热这种方式，因此对流换热量实际上就等于层流底 层的导热量。在层流段，沿壁面法线方向上的热量传 递主要依靠导热作用；在紊流段，层流底层内的热量 传递方式仍然是导热，这是紊流段主要的热阻；但在 层流底层以外，对流的作用仍然占主导作用。因此， 对流换热实际上是依靠层流底层的导热和层流底层以 外的对流共同作用的结果。对流换热的热阻主要集中 在流体的层流内层内，因此减薄层流内层的厚度是强 化对流换热的主要途径。
当具有粘性的流体流过壁面时，就会在壁面上产生粘 滞力。粘滞力阻碍了流体的运动，使靠近壁面流体的 速度降低，使直接贴附于壁面的流体近于停滞不动， 流体速度u=0。一般地，把从紧贴壁面速度u=0至速度 等于来流速度u=u∞之间的流体薄层称为流体的速度边 界层。边界层的厚度一般很小，如图7.2所示。
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7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式
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单元7 对流换热
7.3.3 自然对流换热的计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄（43） 7.4 沸腾换热与凝结换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（51）
7.4.1 沸腾换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（51） 7.4.2 凝结换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（64） 7.4.3 热管技术┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（72）