对流换热原理精.ppt

对流换热原理第1页，本讲稿共27页对流换热原理第2页，本讲稿共27页层流流动换热的微分方程组为便于分析，只限于分析二维对流换热；同时假设假设：a)流体为不可压缩的牛顿型流体，（即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体）b)所有物性参数（、cp、）为常量第3页，本讲稿共27页4个未知量：速度个未知量：速度 u、v；温度；温度 t；压力；压力 p需要需要4个方程个方程:连续性方程连续性方程（1）;动量方程动量方程（2）;能量方程能量方程（1）1 连续性方程连续性方程流体的连续流动遵循流体的连续流动遵循质量守恒规律。质量守恒规律。从流场中从流场中(x,y)处取出边长为处取出边长为 dx、dy 的微元体，的微元体，并设定并设定x方向的流体流速为方向的流体流速为u，而，而y方向上的流体方向上的流体流速为流速为v。M 为质量流量为质量流量 kg/s第4页，本讲稿共27页单位时间内流入微元体的净质量单位时间内流入微元体的净质量=微元体内流体质微元体内流体质量的变化。量的变化。单单位位时时间间内内、沿沿x轴轴方方向向流入微元体的净质量：流入微元体的净质量：第5页，本讲稿共27页单位时间内、沿单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：轴方向流入微元体的净质量：单位时间内微元体内流体质量的变化单位时间内微元体内流体质量的变化:第6页，本讲稿共27页连续性方程：连续性方程：对于二维、稳定、常物性流场对于二维、稳定、常物性流场 ：单位时间：流入微元体的净质量单位时间：流入微元体的净质量=微元体内流体微元体内流体质量的变化质量的变化第7页，本讲稿共27页2 动量微分方程动量微分方程作用力=质量 加速度（F=ma）动量微分方程式描述流体速度场动量微分方程式描述流体速度场动量守恒动量守恒动量微分方程是纳维埃和斯托克斯分别于动量微分方程是纳维埃和斯托克斯分别于1827和和1845年推导的。年推导的。Navier-Stokes方程（方程（N-S方程）方程）牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律：作用在微元体上各外力的：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总和等于控制体中流体动量的变化率控制体中流体动量的变化率控制体中流体动量的变化率第8页，本讲稿共27页从从x x方向进入元体质量流量在方向进入元体质量流量在x x方向上的动量方向上的动量 ：从从x x方向流出元体的质量流量方向流出元体的质量流量在在x x方向上的动量方向上的动量 从从y方向进入元体的质量流量在方向进入元体的质量流量在x方向上的动量为方向上的动量为：从从y方向流出元体的质量流量在方向流出元体的质量流量在x方向上的动量：方向上的动量：第9页，本讲稿共27页x方向上的动量改变量方向上的动量改变量：化简过程中利用了连续性方程和忽略了高阶小量。化简过程中利用了连续性方程和忽略了高阶小量。同理，导出同理，导出y方向上的动量改变量为方向上的动量改变量为：作用于微元体上的外力作用于微元体上的外力 作用力：体积力、表面力作用力：体积力、表面力第10页，本讲稿共27页设定单位体积流体的体积力为设定单位体积流体的体积力为F，相应在，相应在x和和y方向上的分量分别为方向上的分量分别为Fx和和Fy。在在x方向上作用于微元体的体积力：方向上作用于微元体的体积力：在在y方向上作用于微元体的体积力：方向上作用于微元体的体积力：表面力表面力:作用于微元体表面上的力。作用于微元体表面上的力。通常用通常用作用于单位表面积上的力来表示，称之为作用于单位表面积上的力来表示，称之为应力应力。包括粘性引起的切向应力和法向应力、压力等。包括粘性引起的切向应力和法向应力、压力等。法向应力法向应力 中包括了压力中包括了压力 p 和法向粘性应力和法向粘性应力。体积力：体积力：重力、离心力、电磁力重力、离心力、电磁力第11页，本讲稿共27页在物理空间中面矢量和力矢量各自有三个相互独立在物理空间中面矢量和力矢量各自有三个相互独立的分量（方向），因而对应组合可构成应力张量的的分量（方向），因而对应组合可构成应力张量的九个分量。于是应力张量可表示为九个分量。于是应力张量可表示为 式中式中 为应力张量，下标为应力张量，下标i表表示作用面的方向，下标示作用面的方向，下标j则表示作用力的方向则表示作用力的方向 通常将作用力和作用面方向一致的应力分量称为通常将作用力和作用面方向一致的应力分量称为正应力，而不一致的称为切应力。正应力，而不一致的称为切应力。第12页，本讲稿共27页对于我们讨论的二维对于我们讨论的二维流场应力只剩下四个流场应力只剩下四个分量，记为分量，记为 x为为x方向上的正应力（力与面方向一致）；方向上的正应力（力与面方向一致）；y为为y方向上的正应力（力与面方向一致）；方向上的正应力（力与面方向一致）；xy为作用于为作用于x表面上的表面上的y方向上的切应力；方向上的切应力；yx为作用于为作用于y表面上的表面上的x方向上的切应力。方向上的切应力。第13页，本讲稿共27页作用在作用在x方向上表面力的净值为方向上表面力的净值为:作用在作用在y方向上表面力的净值为方向上表面力的净值为 斯托克斯提出了归纳速度斯托克斯提出了归纳速度变形率与应力之间的关系变形率与应力之间的关系的黏性定律的黏性定律 第14页，本讲稿共27页得出作用在微元体上表面力的净值表达式：得出作用在微元体上表面力的净值表达式：x方向上方向上 y方向上方向上 动量微分方程式动量微分方程式在在x方向上方向上 y方向上方向上 第15页，本讲稿共27页对于稳态流动：对于稳态流动：只有重力场时：只有重力场时：3 能量微分方程能量微分方程能量微分方程式描述流体温度场能量微分方程式描述流体温度场能量守恒能量守恒 导导入入与与导导出出的的净净热热量量 +热热对对流流传传递递的的净净热热量量 +内内热热源源发发热热量量 =总总能能量量的的增增量量 +对对外外作作膨胀功膨胀功 第16页，本讲稿共27页W 体积力体积力(重力重力)作作的功的功表面力表面力作作的功的功假设：（假设：（1）流体的热物性均为常量）流体的热物性均为常量变形功变形功=0Q内热源内热源=0（2）流体不可压缩）流体不可压缩 （3）一般工程问题流速低）一般工程问题流速低 （4）无化学反应等内热源）无化学反应等内热源（1）压力作的功：）压力作的功：a)变形功；变形功；b)推动功推动功（2）表面应力作的功：）表面应力作的功：a)动能；动能；b)Q=E+W UK=0、=0第17页，本讲稿共27页Q=E+WW 体积力体积力(重力重力)作作的功的功表面力表面力作作的功的功一般可忽略一般可忽略（1）压力作的功：）压力作的功：a)变形功；变形功；b)推动功推动功（2）表面应力（法向）表面应力（法向+切向）作的功：切向）作的功：a)动能；动能；b)耗散热耗散热 耗散热（耗散热（）：由表面粘性应力产生的摩擦力而转：由表面粘性应力产生的摩擦力而转变成的热量。变成的热量。第18页，本讲稿共27页Q Q导热导热 +Q Q对流对流 =U U热力学能热力学能 +推动功推动功=H H对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体的对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体的能量平衡关系式为：能量平衡关系式为：Q Q1 1为以传导方式进入元体的净的热流量；为以传导方式进入元体的净的热流量；Q Q2 2为以对流方式进入元体的净的热流量；为以对流方式进入元体的净的热流量；Q Q3 3为元体粘性耗散功率变成的热流量；为元体粘性耗散功率变成的热流量；H H为元体的焓随时间的变化率为元体的焓随时间的变化率。第19页，本讲稿共27页以传导方式进入元体的净热流量以传导方式进入元体的净热流量 单位单位时间沿时间沿x轴方向导入与导出微元体净热量：轴方向导入与导出微元体净热量：单位单位时间沿时间沿y轴方向导入与导出微元体净热量：轴方向导入与导出微元体净热量：第20页，本讲稿共27页单位单位时间沿时间沿 x 方向热对流传递到微元体净热量方向热对流传递到微元体净热量单单位位时时间间沿沿y 方方向向热热对对流流传传递递到到微微元元体体的的净热量：净热量：以对流方式进入元体的净热流量以对流方式进入元体的净热流量 第21页，本讲稿共27页元体粘性耗散功率变成的热流量元体粘性耗散功率变成的热流量 单位单位时间内、微元体内焓的增量：时间内、微元体内焓的增量：第22页，本讲稿共27页能量微分方程能量微分方程 当流体不流动时，流体流速为零，热对流项和当流体不流动时，流体流速为零，热对流项和黏性耗散项也为零，能量微分方程式便退化为黏性耗散项也为零，能量微分方程式便退化为导热微分方程式，导热微分方程式，所以，固体中的热传导过程是介质中传热过程所以，固体中的热传导过程是介质中传热过程的一个特例。的一个特例。第23页，本讲稿共27页4 层流流动对流换热微分方程组层流流动对流换热微分方程组（常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体）（常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体）4个方程，个方程，4个未知量（个未知量（u,v,p,t），于是速度场于是速度场和温度场可求和温度场可求.第24页，本讲稿共27页再引入换热微分方程再引入换热微分方程 (n为壁面的法为壁面的法线方向坐标线方向坐标)，最后可以求出流体与固体壁面之间，最后可以求出流体与固体壁面之间的对流换热系数，从而解决给定的对流换热问题。的对流换热系数，从而解决给定的对流换热问题。5 单值性条件单值性条件单值性条件：单值性条件：能单值反映对流换热过程特点的条件能单值反映对流换热过程特点的条件完整数学描述：完整数学描述：对流换热微分方程组对流换热微分方程组+单值性条件单值性条件单值性条件包括：单值性条件包括：几何、物理、时间、边界几何、物理、时间、边界第25页，本讲稿共27页单单值值性性条条件件：能能单单值值反反映映对对流流换换热热过过程程特特点点的的条件条件完完整整数数学学描描述述：对对流流换换热热微微分分方方程程组组+单单值值性性条条件件单值性条件包括：单值性条件包括：几何、物理、时间、边界几何、物理、时间、边界 几几何何条条件件：说说明明对对流流换换热热过过程程中中的的几几何何形形状状和和大大小小，平平板板、圆圆管管；竖竖直直圆圆管管、水水平平圆圆管管；长长度度、直径等直径等物物理理条条件件：说说明明对对流流换换热热过过程程物物理理特特征征，如如：物物性性参参数数 、c 和和 的的数数值值，是是否否随随温温度度 和和压压力变化；有无内热源、大小和分布力变化；有无内热源、大小和分布第26页，本讲稿共27页时时间间条条件件：说说明明在在时时间间上上对对流流换换热热过过程程的的特特点点，稳态对流换热过程不需要时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件 与时间无关与时间无关边界条件：说明对流换热过程的边界特点，边界条件：说明对流换热过程的边界特点，边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件件（1）第一类第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的边界上的温度值温度值（2）第二类第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的过程边界上的热流密度值热流密度值第27页，本讲稿共27页