第五章对流换热第六章详解演示文稿

2v y2 )
作用力：体积力、表面力
体积力: 重力、离心力、电磁力
表面力: 由粘性引起的切向应力及法向应力，压力 等
动量微分方程的推导
动量微分方程 — Navier-Stokes方程（N-S方程）
（ u
u
u x
v
u ) y
Fx
p x
(
2u x2
2u y 2
)
（ v
u
v x
v
v ) y
Fy
p y
(
2v x2
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 t
y y=0
t y y0 为贴壁处壁面法线方向上的流体温度变化 率, 为流体的导热系数
将牛顿冷却公式与上式联立，即可得 到对流换热过程微分方程式
qA hAt
q t
y y=0
hx
t x
t y
y0
h 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流
h f (u, tw, t f , , cp , , ,, l)
对流换热分类小结
对流换热
单相对流换热
相变对流换热
沸腾换热 相变对流换热
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾 珠状凝结 膜状凝结
单相 对流 换热
自然对流 混合对流 强制对流
大空间自然对流
层流 紊流
有限空间自然对流 层流
紊流
管内强制对流换热 流体横掠管外强制对流换热 流体纵掠平板强制对流换热
（Phase change） （Condensation） （Boiling）
h相变 h单相 (4) 换热表面的几何因素：
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) 流体的热物理性质：
热导率 [W (m C)] 运动粘度 [m2 s]
比热容 c [J (kg C)] 密度 [kg m3]
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (u, tw, t f , , cp , , ,, l)
质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
7 对流换热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，
在 贴 壁 处 被 滞 止 ， 处 于 无 滑 移 状 态 （ 即 ： y=0, u=0）
强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头） 作用所产生的流动
h强制 h自然
(2) 流动状态
h湍流 h层流
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 （Laminar flow
）
湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（Turbulent flow）
(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
第五章对流换热 第六章详解演示
文稿
优选第五章对流 换热第六章
牛顿公式
Q hAt
只是对流换热系数 h的一个定义式，它并没 有揭示 h与影响它的各物理量间的内在关系，
研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的 联系，确定计算表面换热系数的表达式。
1 对流换热的定义和性质
对流源自文库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。
动力粘度 [N s m2 ] 体胀系数 [1 K]
1 v 1 v T p T p
h (流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 )
、c h (单位体积流体能携带更多能量)
h (有碍流体流动、不利于热对流)
自然对流换热增强
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
体的温度梯度
hx
t x
t y
y0
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 对流换热问题的数学描述
为便于分析，推导时作下列假设：
❖ 流动是二维的 ❖ 流体为不可压缩的牛顿型流体 ❖ 流体物性为常数、无内热源； ❖ 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
1 质量守恒方程(连续性方程)
流体的连续流动遵循质量守恒规律
从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的 微元体（z方向为单位长度），如图所示， 质量流量为M [kg/s]
分别写出微元体各方向的质量流量分量：
X方向： M x udy
M xdx
Mx
M x x
dx
单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质
量：
M
x
M
xdx
M x x
dx
(u)
x
dxdy
同理，单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体
的净质量：
M
y
M
ydy
M y y
dy
(v)
y
dxdy
单位时间内微元体内流体质量的变化: (dxdy) dxdy
微元体内流体质量守恒(单位时间内)：
流入微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化
即：
(u)
核心问题
研究对流换热的方法：
（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法
5 影响对流换热系数 h 的因素有以下5 方面
❖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
6 对流换热的分类：
(1) 流动起因
自然对流：流体因各部分温度不同而引起的 密度差异所产生的流动
x
dxdy
(v)
y
dxdy
dxdy
(u) (v) 0
x
y
对于二维、稳态流动、密度为常数时：
u v 0 x y
连续性方程
2 动量守恒方程
动量微分方程式描述流体速度场，可以从微元体 的动量守恒分析中建立
牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力的总和 等于控制体中流体动量的变化率
作用力 = 质量 加速度（F=ma）
3 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式:
Φ hA(tw t ) W
q Φ A
h(tw t f ) W m2
4 表面传热系数（对流换热系数）
h Φ ( A(tw t )) W (m2 C)
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
● 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 ● 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却； 3)电风扇
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