《傳熱學(xué)》對流換熱分析.PPT

1、傳熱學(xué)傳熱學(xué)1第五章 對流換熱分析研究對象流體與固體壁面之間的傳熱過程研究目的確定牛頓冷卻定律中的h對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)局部對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx平均對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)確定對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的四種方法分析法類比法數(shù)值法實驗法Isaac Newton(1642-1727)2常見對流換熱設(shè)備：殼管式換熱器蒸汽鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)冷凝器連續(xù)肋片管束環(huán)肋片管束采暖散熱器第一節(jié) 對流換熱概述3影響對流換熱的因素一、流動的起因和流動狀態(tài)起因自然對流受迫對流流動狀態(tài)層流紊流混合對流二、流體的熱物理性質(zhì)（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、黏度、體積膨脹系數(shù)等）比熱容和密度大，單位體積流體能攜帶更多能量導(dǎo)熱系數(shù)大，流體內(nèi)部導(dǎo)熱能力強黏度

2、小，流體流動順暢h增大體積膨脹系數(shù)對理想氣體4Re增大h增大定性溫度換熱中起主導(dǎo)作用的溫度，以此特征溫度確定物性參數(shù)，可將物性參數(shù)按常數(shù)處理5三、流體的相變（凝結(jié)、沸騰、融化、凝固、升華、凝華）冷凝器鍋爐四、換熱表面幾何因素（壁面尺寸、粗糙度、形狀及與流體的相對位置)對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的多參數(shù)函數(shù)定型尺寸換熱中有決定意義的尺寸，以此特征尺寸作為分析計算的依據(jù)，能準(zhǔn)確反映物體形狀對換熱的影響6對流換熱情況分類7第二節(jié) 對流換熱微分方程組對流換熱問題總的求解步驟（二維不可壓縮牛頓型流體）速度場溫度場hxh已知條件動量方程能量方程過程方程一、對流換熱過程微分方程式推導(dǎo)依據(jù)：流體在貼壁處處于無滑移狀態(tài)

3、，貼壁流體層僅有導(dǎo)熱發(fā)生根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律：根據(jù)牛頓冷卻定律：對流換熱過程方程：8二、連續(xù)性方程推導(dǎo)依據(jù)質(zhì)量守恒定律各方向流進和流出微元體的質(zhì)量流量：將以上四式代入質(zhì)量守恒定律：得出：9三、動量微分方程式(NS方程)推導(dǎo)依據(jù)牛頓第二定律Fma1.微元體的質(zhì)量加速度：dDU在兩個方向的分量分別為：102.微元體所受的外力：（x,y兩方向）將上式在x,y兩個方向代入牛頓第二定律，得到Navier-Stokes方程：對于不可壓縮流體：11將其代入Navier-Stokes方程，并采用連續(xù)方程化簡，得到：慣性力體積力壓強梯度黏滯力對穩(wěn)態(tài)流動：當(dāng)只有重力場作用時：12四、能量微分方程式推導(dǎo)依據(jù)內(nèi)能增量導(dǎo)

4、熱熱量對流熱量1.導(dǎo)熱熱量：根據(jù)傅立葉定律：x方向?qū)氲膬魺崃浚簓方向?qū)氲膬魺崃浚?32.對流熱量：由左方進入微元體的焓值：由下方進入微元體的焓值：x方向?qū)α魅氲膬魺崃浚簓方向?qū)α魅氲膬魺崃浚?.內(nèi)能增量：將1、2、3代入能量守恒關(guān)系式，得出：14應(yīng)用連續(xù)方程將其簡化，得出：或可寫為：五、對流換熱微分方程組5個方程,5個未知數(shù)(h,u,v,t,p)，理論上存在唯一解但由于方程組過于復(fù)雜，實際不可求解，必須進一步進行簡化15第三節(jié) 邊界層換熱微分方程組Ludwig Prandtl(1875-1953)一、流動邊界層1.定義：研究目的簡化對流換熱微分方程組距離壁面處以內(nèi)的流體層162.流動邊界層

5、的5個特點：（1）邊界層的厚度較之定型尺寸為極小量（2）邊界層內(nèi)速度梯度很大（3）邊界層流態(tài)分為層流和紊流，紊流邊界層緊靠壁處仍是層流，稱層流底層判斷流態(tài)的準(zhǔn)則臨界雷諾數(shù)17（4）流場分為主流區(qū)和邊界層區(qū)，主流可忽略黏性，邊界層考慮流體黏性（5）邊界層法線方向壓力梯度很小，邊界層與主流區(qū)壓力相同根據(jù)伯努利方程：（量級分析方法的結(jié)論）183.不同流動模型下邊界層的描述：管內(nèi)受迫流動受迫橫向外掠圓管沿?zé)嶝Q壁自然對流19二、熱邊界層1.定義：距離壁面處以內(nèi)的流體層2.與流動邊界層的關(guān)系取決于黏性系數(shù)與熱擴散率的相對大小普朗特準(zhǔn)則其中：20三、數(shù)量級分析與邊界層微分方程數(shù)量級分析方法將方程中各量和各項

6、目量級的相對大小進行比較，舍去量級小的量和項目，從而簡化方程，使其可以求解分析對象二維穩(wěn)態(tài)受迫層流，且忽略重力作用分析基礎(chǔ)各基本參數(shù)的量級21對流換熱微分方程組量級分析過程1.連續(xù)方程：2.x方向動量方程：小量，可除去223.y方向動量方程：流動邊界層第五個特點所有項全為小量，可將此方程全部除去4.能量方程：小量，可除去23外掠平板層流換熱邊界層微分方程組：四、外掠平板層流換熱邊界層微分方程式分析解簡述對外掠平板層流：壓力梯度項：4個方程,4個未知數(shù)(h,u,v,t)，理論上存在唯一解，可通過數(shù)學(xué)方法進行求解24求解結(jié)果局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：或可寫成：其中：無量綱流速無量綱物性無量綱換熱強度準(zhǔn)則方

7、程準(zhǔn)則方程的意義把微分方程所反映的眾多因素間的規(guī)律用少數(shù)幾個準(zhǔn)則來概括，從而減少變量個數(shù)，以便于進行對流換熱問題的分析、實驗研究和數(shù)據(jù)處理。25平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：或可寫成：其中：平均值正好是板長處局部值的2倍。全板長hx的平均值h的計算：26定性溫度：定性速度：定型尺寸：x(l)外掠平板層流換熱問題對流換熱問題的計算步驟：定性溫度物性Re(Gr),Pr準(zhǔn)則方程Nuh適用場合：27第五節(jié) 動量傳遞和熱量傳遞的類比類比原理利用流動阻力的數(shù)據(jù)獲得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的近似解。一、紊流動量傳遞和熱量傳遞紊流瞬時速度紊流動量傳遞原理Osborne Reynolds(1842-1912)28二、外掠平板紊流換熱流

8、體力學(xué)中光滑平板紊流局部摩擦系數(shù)：代入柯爾朋類比率（通過類比原理得出的準(zhǔn)則方程）：得到：外掠平板紊流換熱準(zhǔn)則方程（局部）：全板長平均值應(yīng)為層流段和紊流段的加權(quán)平均：外掠平板全板長平均換熱準(zhǔn)則方程：29第六節(jié) 相似理論基礎(chǔ)相似原理的意義通過實驗尋找現(xiàn)象的規(guī)律以及指導(dǎo)推廣應(yīng)用實驗。一、物理相似的基本概念LA、LB幾何相似準(zhǔn)則1.幾何相似302.物理現(xiàn)象相似以管內(nèi)流動為例，當(dāng)兩管各r之比滿足下列關(guān)系時：若：則速度場相似。以外掠平板為例，當(dāng)x,y坐標(biāo)滿足下列關(guān)系時：若：則溫度場相似。31對于非穩(wěn)態(tài)問題，保證各物理量相似還需滿足：物理相似的三個注意點：a.必須是同類現(xiàn)象才可能相似。b.物理量場的相似倍數(shù)

9、間存在特定的制約關(guān)系。c.物理量相似發(fā)生在空間和時間坐標(biāo)上對應(yīng)的點。32二、相似原理1.相似性質(zhì)相似的現(xiàn)象，其同名相似準(zhǔn)則必定相等雷諾準(zhǔn)則受迫對流中慣性力和黏滯力的相似倍數(shù)之比格拉曉夫準(zhǔn)則自然對流中浮升力和黏滯力的相似 倍數(shù)之比普朗特準(zhǔn)則流體動量傳遞能力和熱量傳遞能力的相對大小努謝爾特準(zhǔn)則壁面法向無量綱過余溫度梯度的大小， 反映對流換熱的強弱332.相似準(zhǔn)則間的關(guān)系混合對流：受迫對流：自然對流：Pr近似為常數(shù)（空氣）時的受迫對流：3.判別相似的條件同類現(xiàn)象單值性條件相似同名的已定準(zhǔn)則相等34相似三原理對流換熱的實驗研究方法a.測量相似準(zhǔn)則中包含的全部物理量b.實驗結(jié)果整理成準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式c.將準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式推廣應(yīng)用到相似的現(xiàn)象資料搜集歸納演繹35三、實驗數(shù)據(jù)的整理方法通常整理成冪函數(shù)的形式各系數(shù)確定方法雙對數(shù)坐標(biāo)圖解法以：為例，將準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式兩邊取對數(shù)，得：將Re和Nu的每組實測數(shù)據(jù)繪制于雙對數(shù)坐標(biāo)系（lgRe