對(duì)流換熱-對(duì)流換熱概論（熱力學(xué)基礎(chǔ)）

邊界層的概念邊界層的概念對(duì)流換熱過(guò)程的熱量傳遞時(shí)依靠?jī)煞N作用完成的：一是依靠壁面與流體的直接接觸的導(dǎo)熱作用；二是流體內(nèi)部的對(duì)流作用。對(duì)流換熱的規(guī)律與流體的流動(dòng)是緊密聯(lián)系在一起的，因此分析對(duì)流換熱，應(yīng)首先了解與固體壁面相接觸的流體的流動(dòng)規(guī)律。本節(jié)主要以流體穩(wěn)定地沿平板作無(wú)界的強(qiáng)迫對(duì)流換熱為例，闡明有關(guān)邊界層的情況，同時(shí)對(duì)流體在管內(nèi)的流動(dòng)，作簡(jiǎn)要介紹。速度邊界層01溫度邊界層02目

錄Content速度邊界層01邊界層的概念當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于壁面的粗糙度和流體的粘滯作用，使得緊貼在固體壁面上的流體被完全滯止，速度等于零。流體之間的粘滯作用所產(chǎn)生的粘性力使得壁面附近的薄層流體的法向流速有較明顯的變化。通常把壁面法線方向上，緊鄰壁面流速發(fā)生劇烈變化的薄流層稱為速度邊界層。邊界層的概念

紊流邊界層沿壁面法線方向分為層流底層、緩沖區(qū)和紊流核心區(qū)。即使在紊流邊界層內(nèi)，由于靜止表面與流體之間的粘滯作用，在緊貼壁面的極薄一層流體中，粘性力仍占主導(dǎo)地位，流體仍維持層流，這個(gè)極薄的流體層稱為紊流邊界層中的層流底層。沿流動(dòng)方向，速度邊界層分為層流邊界層、過(guò)渡流邊界層和紊流邊界層三個(gè)階段。邊界層的概念溫度邊界層02邊界層的概念當(dāng)流體流經(jīng)與其溫度不同的壁面時(shí)，流體與壁面之間就會(huì)發(fā)生熱量傳遞現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，流體的溫度只有在靠近壁面法向的一個(gè)薄層中才有顯著的變化，這一薄層稱為溫度邊界層，又稱熱邊界層。邊界層的概念

2.流動(dòng)邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過(guò)程和邊界層內(nèi)的溫度分布1.流動(dòng)邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過(guò)程和邊界層內(nèi)的溫度分布影響對(duì)流換熱的因素影響對(duì)流換熱的因素

運(yùn)動(dòng)著的流體與固體壁面接觸時(shí)，由于流體與固體壁面間有溫度差而發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程，稱為對(duì)流換熱。工程中對(duì)流換熱比單純的熱對(duì)流更具實(shí)用意義。對(duì)流換熱在火電廠的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用十分廣泛。在鍋爐的過(guò)熱器、省煤器以及汽輪機(jī)的主要輔助設(shè)備凝汽器、加熱器中，管內(nèi)流動(dòng)的工質(zhì)與管內(nèi)壁之間、管外流動(dòng)的工質(zhì)與管外壁之間的熱量傳遞過(guò)程都是對(duì)流換熱過(guò)程。0203目

錄Content050104流動(dòng)產(chǎn)生的原因流體流動(dòng)的狀態(tài)流體有無(wú)相變流體物性的影響流體與固體壁面的相對(duì)位置01流動(dòng)產(chǎn)生的原因影響對(duì)流換熱的因素

結(jié)論：強(qiáng)迫流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)要高于自由流動(dòng)的換熱系數(shù)。強(qiáng)迫流動(dòng)自由流動(dòng)流動(dòng)產(chǎn)生的原因強(qiáng)制對(duì)流換熱是流體在泵與風(fēng)機(jī)的作用下流過(guò)換熱面時(shí)的對(duì)流換熱，如煙氣在風(fēng)機(jī)的作用下流過(guò)鍋爐中各受熱面時(shí)與受熱面之間的對(duì)流換熱就屬?gòu)?qiáng)制對(duì)流換熱。自然對(duì)流換熱是流場(chǎng)中溫度差引起密度差產(chǎn)生了浮升力，流體在浮升力作用下流過(guò)換熱面時(shí)的對(duì)流換熱，如鍋爐爐墻外表面向周?chē)諝獾纳峋蛯僮匀粚?duì)流換熱。影響對(duì)流換熱的因素1、冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無(wú)風(fēng)時(shí)感到更冷些？人體表面的散熱在有風(fēng)時(shí)為強(qiáng)制對(duì)流換熱，在無(wú)風(fēng)時(shí)屬自然對(duì)流換熱。而空氣的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)比自然對(duì)流換熱系數(shù)大。因而有風(fēng)時(shí)從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷。02流體流動(dòng)的狀態(tài)影響對(duì)流換熱的因素

結(jié)論：1.紊流時(shí)的換熱系數(shù)要高于層流的換熱系數(shù)。紊流層流流體的流動(dòng)狀態(tài)層流流動(dòng)中，流體各部分的流動(dòng)都平行于流道的壁面，各流線之間互不干擾，動(dòng)量交換、熱量交換相對(duì)較弱紊流流動(dòng)中，流體的各部分運(yùn)動(dòng)處于不規(guī)則的混亂狀態(tài)，各流線之間會(huì)互相交錯(cuò)和干擾，動(dòng)量交換、熱量交換相對(duì)較強(qiáng)

2.紊流時(shí)換熱熱阻主要存在于層流底層，層流底層愈薄，對(duì)流換熱強(qiáng)度就愈強(qiáng)。03流體有無(wú)相變影響對(duì)流換熱的因素相變對(duì)流換熱無(wú)相變對(duì)流換熱流動(dòng)有無(wú)相變相變是指氣體變?yōu)橐后w或液體變?yōu)闅怏w的相態(tài)變換。。沒(méi)有相態(tài)變化的對(duì)流換熱稱為單相流體的對(duì)流換熱。有相變的對(duì)流換熱是指液體的沸騰換熱和蒸汽的凝結(jié)換熱。影響對(duì)流換熱的因素人體表面的散熱在有風(fēng)時(shí)為強(qiáng)制對(duì)流換熱，在無(wú)風(fēng)時(shí)屬自然對(duì)流換熱。而空氣的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)比自然對(duì)流換熱系數(shù)大。因而有風(fēng)時(shí)從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷。有相變的換熱與無(wú)相變的換熱相比有很大的區(qū)別。對(duì)于同一種流體，有相變的對(duì)流換熱系數(shù)要大得多。例如，液體受熱汽化，將吸收大量的汽化潛熱，汽化潛熱值要比比熱容大得多，同時(shí)還產(chǎn)生許多汽泡，汽泡的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)增加了液體內(nèi)部的擾動(dòng)，也使對(duì)流換熱增強(qiáng)。對(duì)于不同種流體，有相變的換熱不一定比無(wú)相變的換熱強(qiáng)，04流體物性的影響影響對(duì)流換熱的因素在相同的條件下，流體的種類(lèi)不同，其換熱強(qiáng)度各不相同。直接影響換熱強(qiáng)度的主要物性參數(shù)有：熱導(dǎo)率λ[W/(m·℃)]、定壓質(zhì)量比熱容cp[J/(kg·℃)]、密度ρ[kg/m3]、動(dòng)力粘度μ[kg/(m·s)]、運(yùn)動(dòng)粘度ν[m2/s]等等。不同的流體，上述的物性參數(shù)各不相同；對(duì)于同一種流體，這些參數(shù)隨溫度而變化，其中某些參數(shù)還和壓力有關(guān)。影響對(duì)流換熱的因素若流體的比熱容大，流體的溫度每升高或降低1℃與壁面所交換的熱量就越多，換熱也會(huì)加強(qiáng)。總的來(lái)說(shuō)，μ值增大，換熱強(qiáng)度減小；ρ、和cp值增大，換熱強(qiáng)度增大。流體的物性影響換熱強(qiáng)度，是因?yàn)榱黧w的物性影響流體的流態(tài)和改變層流底層的熱阻。例如，若流體的粘性系數(shù)小，則在一定的流速下其層流底層就較薄，使熱阻減小而換熱增強(qiáng)；若流體的熱導(dǎo)率大，則層流底層的導(dǎo)熱熱阻就小。影響對(duì)流換熱的因素液體的對(duì)流換熱強(qiáng)于氣體的對(duì)流換熱。氫氣的對(duì)流換熱強(qiáng)于空氣的對(duì)流換熱。通常存在水的對(duì)流換熱強(qiáng)于油的對(duì)流換熱。影響對(duì)流換熱的因素1、電影《泰坦尼克號(hào)》里，男主人公杰克在海水里被凍死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而幸存下來(lái)。試從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)解釋這一現(xiàn)象。課堂思考杰克在海水里，身體與海水間由于自然對(duì)流交換熱量。羅絲在筏上身體與空氣之間產(chǎn)生自然對(duì)流。在其他條件相同時(shí)，水的自然對(duì)流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于空氣，因此杰克身體由于自然對(duì)流散失能量的速度比羅絲快得多。因此，杰克被凍死而羅絲幸存下來(lái)。影響對(duì)流換熱的因素2.在發(fā)電廠中，為什么發(fā)電機(jī)的冷卻方式用氫氣冷卻比空氣冷卻效果好？課堂思考因?yàn)榱黧w的物性參數(shù)影響流體的對(duì)流換熱，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱是所有氣體中最大的，對(duì)流換熱效果最強(qiáng)，氫氣和空氣比較，氫氣的對(duì)流換熱強(qiáng)于空氣的對(duì)流換熱，用氫氣冷卻帶走的熱量多，冷卻效果好。05流體與固體壁面的相對(duì)位置影響對(duì)流換熱的因素對(duì)流換熱過(guò)程中，流體沿著壁面流動(dòng)，壁面的幾何形狀、大小、粗糙度及流體與固體壁面間的相對(duì)位置對(duì)流體的流動(dòng)也有很大的影響，從而也影響對(duì)流換熱系數(shù)的大小。影響對(duì)流換熱的因素流體在管內(nèi)流動(dòng)和流體橫向繞過(guò)圓管時(shí)的流動(dòng)，由于流體接觸壁面的幾何形狀不同，流動(dòng)的狀態(tài)及邊界層的厚薄都不一樣流體與固體表面間的相對(duì)位置也影響對(duì)流換熱過(guò)程，如在平板表面加熱空氣作自然對(duì)流時(shí)，換熱面朝上或換熱面朝下空氣的流動(dòng)情況大不一樣。相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則01準(zhǔn)則方程式02目

錄Content01相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則

相似準(zhǔn)則：在相似理論指導(dǎo)下由微分方程導(dǎo)出的由幾個(gè)物理量所組成的沒(méi)有量綱的數(shù)。已定準(zhǔn)則待定準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則

定型準(zhǔn)則，其所包含的量都是已知量。待定準(zhǔn)則，他包含了待定的對(duì)流換熱系數(shù)αc。待定準(zhǔn)則是已定準(zhǔn)則的函數(shù)。相似準(zhǔn)則努謝爾特準(zhǔn)則：

努塞爾特準(zhǔn)則數(shù)是一個(gè)表征對(duì)流換熱強(qiáng)弱的準(zhǔn)則數(shù)。在λ、L相同時(shí)，Nu數(shù)越大則對(duì)流換熱越強(qiáng)。相似準(zhǔn)則雷諾準(zhǔn)則：雷諾準(zhǔn)則數(shù)是一個(gè)表征流體強(qiáng)制對(duì)流時(shí)流態(tài)的特征數(shù)，他反映了流體強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力的相對(duì)大小。Re數(shù)大，表明慣性力相對(duì)較大，粘性力對(duì)流動(dòng)的約束不顯著，流動(dòng)趨于紊亂；反之，Re數(shù)小，由于粘性力的約束，流動(dòng)比較平穩(wěn)。相似準(zhǔn)則普朗特準(zhǔn)則：普朗特準(zhǔn)則是一個(gè)表征流體熱物理特性的特征數(shù)。他反映了流體動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱擴(kuò)散能力的相對(duì)大小。Pr數(shù)大，意味著流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力大于熱擴(kuò)散能力，速度邊界層比溫度邊界層厚，。相似準(zhǔn)則格拉曉夫準(zhǔn)則：格拉曉夫準(zhǔn)則是一個(gè)表征流體自然對(duì)流時(shí)流態(tài)的特征數(shù)。格拉曉夫準(zhǔn)則就反映了自然對(duì)流換熱現(xiàn)象中流體浮升力與粘性力的相對(duì)大小。Gr數(shù)大，表明浮升力較大，流體自然對(duì)流換熱越強(qiáng)烈。相似準(zhǔn)則定性溫度：用以確定準(zhǔn)則數(shù)中物性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。特征尺度：包含在準(zhǔn)則中影響對(duì)流換熱的幾何尺寸，我們稱之為特征尺度。特征流速：Re中的流速稱之為特征流速。。準(zhǔn)則方程式02相似準(zhǔn)則當(dāng)實(shí)際氣體的溫度較高、壓力較低時(shí)，氣體的比體積比較大，這時(shí)就可以忽略分子本身體積及分子之間的相互作用力，作為