强制对流换热-外掠平板

2.斯忒藩—玻耳兹曼定律
Eb f (T )
Eb 0 Eb dλ
Eb
Cb
(T 100
)4
W/m2
Cb—黑体辐射系数， 5.67，W/(m2·K4) Eb T 4 四次方定律 T 0K Eb 0
Eb T 全辐射高温计
11.2 热辐射的基本定律
3.基尔霍夫定律
吸收率a表示物体相对于黑体的 吸收能力 黑度ε表示物体相对于黑体的辐 射能力
自然对流换热
Nu f3Gr,Pr Nu CGr Prn
（3）模型实验确定待定系数 C m n
10.4 强制对流换热-管内流动
（4）经验公式
管内紊流强制对流换热，以迪塔斯-波尔特公式最著名：
Nu f
0.023Re
0.8 f
P
rmf
t
l
R
m—液体被加热或气体被冷却时m=0.4
液体被冷却或气体被加热时m=0.3 定性温度为流体的平均温度Tf
能量方程
傅里叶数
Fo
t
L2
温度场随时间
的变化特征
贝克来数
Pe Re Pr vL a
温度场随空间 的变化特征
10.4 强制对流换热-管内流动 边界换热微分方程
1
努塞尔数
Nu hL
表征对流换 热作用强弱
2
斯坦顿数
St Nu h
Re Pr c p v
表征对流换 热作用强弱
3
普朗特数
Pr
a
将动量传输 与热量传输 联系起来
11.1 辐射换热的基本概念
1
不需要物质作 传热媒介，而 是依靠发射电 磁波来传递热 量。
热辐射的特点
2
伴随着能量形 式的两次转化.
辐射时:内能-辐 射能 吸收时:辐射能内能
3
物体T＞0K， 进行热辐射
11.1 辐射换热的基本概念
辐射能的吸收、反射和投射
热能
高温 物体
吸收
GA 热
GD
能
辐射能流（热射线） G
1．热辐射的特点
热辐射 物体由于自身温度引起
的发射辐射能的现象, 依靠热射线（电磁波） 传递热量
辐射换热是指物体之间通过相互辐射 和吸收进行的热量传输过程。
可见光（0.38-0.76μm)
红外线（0.76-1000μm） 热射线（0.1-100μm）
工程上的热辐射集中在0.76～ 40微米的红外线部分——红外 线辐射。
E1(灰体辐射 ) a1 Eb 灰体吸收
热平衡
Eb 黑体辐射 E1 (1 a1) Eb 黑体吸收
11.2 热辐射的基本定律
E1 a1
Eb
E1 a1
E2 a2
E a
Eb
aε
a E Eb
ε E Eb
分析：
1）黑体 a 1 , 1 吸收能力最大，辐
射能力最大；
2）a 吸收能力强，辐射能力强；
10.4 强制对流换热-管内流动
2）普朗特数： Pr=0.6~120 3）温度差限制： T Tf Tw
气体 T 50 C
水 t 30 ℃ t 1.0
油类 t 20 ℃
4）定形尺寸：管内径，非圆管用当量直径。
10.4 强制对流换热-管内流动
Nu f
0.023
Re
0.8 f
Pr
n f
t
l
不均匀的温度场造成不均匀的密度场
Tw
Grashoff数
Gr
gTl3 2
浮力 惯性力 阻力
表征浮力与粘性力的相对大小，自然对流 换热中，反映自然对流对换热的影响。Gr 值越大，引起对流的浮力相对于阻力越大， 自然对流也越强烈。
x
y
Tw T
gx
10.5 自然对流换热
竖平壁上常物性自然对流
u v 0 x y
R
n=0.4
h
0.023
c v 0.6 0.4 0.8 0.8 p d 0.4 0.2
强化对流换热的措施：
1）流体种类 液体>气体 2）提高流速v，减小管径d， 流速效果>管径效果
3）为减小圆管当量直径，可将圆管改为椭圆管
4）增加表面粗糙度
10.4 强制对流换热-管内流动
过渡流对流换热 Re=2300～104
0 Eb 0 Eb 0
维恩定律:
λmax ·T=2897. 6 µm·K
11.2 热辐射的基本定律
<500~550℃ 600℃ 800~850℃ 1000℃ 1300℃ 不发光 暗红色 鲜红色 桔黄色 亮白色
应用：
一定， Eb T
光学高温计 红外温度计
11.2 热辐射的基本定律
10.5 自然对流换热
自然对流换热经验公式： Nu CGr Prn
C、n取决于流动性质、表面形状、表面朝向
查表11-2 P146
限制条件： 表面温度为常数的自然对流换热 例10-4 P147
10.5 自然对流换热
自然对流和强制对流的混合对流换热
管内自然对流对强制对流换热的影响分析：
Gr Re2
2．对流换热系数的近似积分解法
一
二
三
四
通过边界 层控制体 的能量平 衡，建立 能量积分 方程
利用边 界层特 性，假 定温度 场分布
求解能 量积分 方程
求对流 换热系 数
10.4 强制对流换热-外掠平板
局部值
1
1
Nux 0.332 Pr 3 Rex 2
Nu x
hx x
St x
2
Pr 3
0.332
1
体
对称的双原子气体、纯净空气，可认 积
为其基本不吸收辐射能，即≈0
辐
射
1
11.1 辐射换热的基本概念
G
能量守恒原理 G G G G
G
1
吸收率
1, 0
反射率
透射率
G G
物体能将外界投射来的辐射能全部吸收－－黑体
1, 0 1, 0
物体能将外界投射来的辐射能全部反射 入射角等于反射角－－镜体；漫反射－－白体 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体－－透明体
vx
T x
vy
T y
a 2T y 2
vx vy 0 x y
边界换热微分方程
T
y
y0
T
y
y0
h
Tf Tw
T
10.4 强制对流换热-外掠平板
vx
vx x
vy
vx y
2vx y 2
vx
T x
vy
Hale Waihona Puke Baidu
T y
2T y 2
温度场与速度场 完全一致
Pr 普朗特数
将温度场与速度场联系起来
10.4 强制对流换热-外掠平板
三、作业 习题P149 7、9、10、11
本章小结
主要内容：对流换热的分类及研究方法，牛顿冷却公
式与对流换热系数，热边界层与对流换热机理，流体 流过平板时对流换热，管内流动时的对流换热，自然 对流换热。
重点：牛顿冷却公式与对流换热系数，管内流动时的
对流换热。
难点：热边界层与对流换热机理。
基本要求：掌握对流换热系数的物理意义，管内流动
T u
u T
T
Pr 1
向上流动的流体并不限于厚度为T这一层流体，受热
向上运动的流体层对外侧未受热流体的粘性拖曳作用， 使未受热流体向上流动。
T u
10.5 自然对流换热
摩擦力～浮升力
浮升力～惯性力
Pr 1
v
T
在T外，流体温度不变化，浮升力未零，粘性力引起的拖
曳作用几乎不存在，流体不运动，速度分布和温度分布的 宽度相同。
一般固体、液体
表面辐射 =0 +=1
一般气体 体积辐射 =0 +=1
11.1 辐射换热的基本概念
3.黑体模型 空腔吸收率0.6 小孔面积/空腔内表面积<0.6%
小孔吸收率 0.996
11.1 辐射换热的基本概念
4.辐射力
辐射力：发射物体每单位表面积、单位时间内向半球
空间所发射的全部波长的能量。 符号：E 单位：W/m2
时的对流换热量计算；会计算自然对流换热量。
第11章 辐射换热
11.1 热辐射的基本概念 11.2 热辐射的基本定律 11.3 固体和液体及灰体的辐射 11.4 黑体间的辐射换热及角系数 11.5 灰体间的辐射换热 11.6 气体辐射 11.6 对流与辐射共存时的热量传输
11.1 辐射换热的基本概念
3）a 0, 0不能吸收的，也不能辐射； 不能辐射的，也不能吸收。
小结
一、本课的基本要求 1．掌握热辐射及其特点。 2．理解吸收率、反射率、透过率的概念。 3．掌握绝对黑体、辐射力、单色辐射力的概念。 4．掌握绝对黑体两个基本定律及其应用。 5．掌握黑度、灰体的概念。
二、本课的重点、难点 重点：热辐射及其特点、绝对黑体两个基本定律及其应用。 难点：灰体的概念。 三、作业 习题P170 1、2、3
适用条件
1）Pr>1 一般液体：Pr=1～50 适用
气 体：Pr=0.6～1.0 近似适用
液体金属：Pr=0.001～0.2 不适用
2）Re<5×105
3）定性温度
1 Tm 2
Tf
T w
例10-1 P139
10.4 强制对流换热-管内流动
1．相似理论-模型实验法 （1）利用相似转换法求相似特征数
t —温差修正系数； l —管长修正系数；
R —弯曲修正系数
10.4 强制对流换热-管内流动
公式适用条件：
1）紊流强制对流光滑直管
Re=104~1.2×105
l
1
d 0.7 L
L d
60
l 1.0
直管， R 1.0
弯管
管内为气体
R
1 1.77
d R
管内为液体
R
1 10.3( d )3 R
穿透
与中间介质无关 而由电磁波传输
反射
GR
低温物体
11.1 辐射换热的基本概念
2．辐射能的吸收、反射与透过
反射率
Q Q Q Q
Q Q Q 1
QQQ
吸收率
透过率
1
固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表 面薄层内进行，可认为其透射率：=0
1
表面辐射
气体：对热辐射几乎不能反射，即：=0
单色辐射力：若辐射能力仅指某波长λ下波长间隔dλ范
围内所发射的能量。
符号： E
单位：W/m2.μm
E 0 E d
E dE / d
方向辐射力：某方向θ的能量 Eθ W/m2.sr
11.2 热辐射的基本定律
1.普朗克定律
揭示了黑体辐射能量按波长的分布规律
Eb
f (,T )
C1 5
ec2 T 1
W/(m2·µm)
Nu f
0.116
Re
f
2 3
125
Pr f
1 3
1
d L
2
3
f w
0.14
层流对流换热 Re 2300
Nu
0.186 Re
Pr
d L
1
3 f
f w
0.14
定性温度为Tf ；
Re Pr d 10 L
例 10-3 P144
10.5 自然对流换热
自然对流换热特点
不依靠泵或风机等外力推动,由于流体内部 存在温度差导致流体中质量力分布不均匀 所引起的流动,称为自然对流。
Re
x
1 2
努塞尔数
Stx
Nu x Rex Pr
hx
c p v0
斯坦顿数
Re x
v0 x
10.4 强制对流换热-外掠平板
平均值
11
Nu
0.664 P r 3
Re
2 L
2
1
St Pr 3 0.664Re L 2
Nu hL
St Nu hL
Re L Pr c p v0
Re L
v0 L
10.4 强制对流换热-外掠平板
Tw＝常量
数
u
u x
v
u y
g T
T
2u y 2
学
模 型
u T x
v T y
a
2T y 2
边界层外流体 压力为静压力
边界层外流体 速度为零
u 0, v 0,T Tw, y 0
u 0, v 0,T T, y
10.5 自然对流换热
驱动 （受热层） 摩擦力～浮升力
被驱动 （未受热层） 摩擦力～惯性力
=浮升力/惯性力
Gr Re2 0.1 自然对流的影响可忽略，纯强制对流换热
Gr Re2 10 纯自然对流换热
Gr Re 2 0.1 ~ 10 混合对流换热
小结
一、本课的基本要求 1．掌握管内流动时的对流换热计算。 2．掌握自然对流换热计算。
二、本课的重点、难点 重点：管内流动时的对流换热计算。 难点：强化对流换热措施的分析。
第10章 对流换热
10.1 对流换热机理及影响因素 10.2 对流换热微分方程组 10.3 对流换热的准数方程式 10.4 强制对流换热的计算 10.5 自然对流换热的计算
10.4 强制对流换热-外掠平板
1．层流边界层对流换热微分方程组
N-S方程
vx
vx x
vy
vx y
2vx y 2
能量微分方程 连续性方程
10.4 强制对流换热-管内流动
N-S方程
Re vl
强制流动状态 惯性力/黏性力
Gr g l3 t 2
自然流动状态 浮升力/黏性力
10.4 强制对流换热-管内流动
（2）建立特征数方程
稳定流动
Nu f1Re, Gr, Pr
紊流强制对流换热 Nu f2Re, Pr Nu C Ren Prm