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对流换热讲义对流换热讲义你现在浏览的是第一页，共53页斯韦特兰娜萨维茨卡娅（1948年生）苏联运动健将和宇航员，竞速飞行记录的创造者和飞的最高记录的保持着，世界第二位女宇航员和世界首位女性太空行走者。她现在是俄罗斯联邦国家杜马共产党派的副主席。你现在浏览的是第二页，共53页萨利克里斯滕赖德，1951年生。1979年起为宇航员。1983年6月18日成为“挑战者”号第二次飞行的宇航员之一，是美国进入太空的第一名女宇航员和美国最年轻的宇航员，也是世界上第三名进入宇宙的女宇航员。你现在浏览的是第三页，共53页女宇航员所创造的最长飞行时间纪录是188天4小时14秒。她乘坐美国的“亚特兰蒂斯STS76”号宇宙飞船抵达“和平”号空间站，同年9月26日乘“亚特兰特蒂斯STS79”号返回地面。你现在浏览的是第四页，共53页1995年2月3日，美国女宇航员艾琳 玛丽 柯林斯乘“发现”号航天飞机飞上太空。1999年，已经身为人母的柯林斯第三次进入太空，成为人类历史上第一位航天飞机女指令长，驾驶“哥伦比亚”号航天飞机完成了7月23日至27日的飞行。你现在浏览的是第五页，共53页克里斯塔麦考利夫（左）1948年生。她原本是一名普通中学教师，但遨游太空的梦想和美国航空和航天局（NASA）招募太空教师的决定让她走进了宇航界。朱迪丝雷斯尼克（右）1949年生，犹太后裔。1978年，雷斯尼克被选入NASA的宇航员项目，在1984年8月“发现”号处女航时担任任务专家。你现在浏览的是第六页，共53页卡尔帕纳乔娜1994年，乔娜被NASA选中，参加为期一年的太空严格训练，身份是航天飞机太空任务专家。劳雷尔克拉克1961年生，1996年又被选为宇航员。你现在浏览的是第七页，共53页对流换热你现在浏览的是第八页，共53页对流换热对流换热:流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换.对流换热以对流换热以牛顿冷却公式牛顿冷却公式为其基本计算式为其基本计算式,即即或对于面积为或对于面积为A A的接触面的接触面其中其中 t t 为换热面积为换热面积A A上的平均温差上的平均温差.约定约定q q 及及 总是取正值总是取正值,因此因此 t t及及 t tmm也要求取正值也要求取正值.5-1 对流换热概述你现在浏览的是第九页，共53页一.对流换热的分类1.1.按动力分按动力分强制对流强制对流(forced convection):(forced convection):由于泵由于泵,风机风机,或压差等流体本身或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热以外的动力产生的流动换热.自然对流自然对流(natural convection):(natural convection):由于流体的由于流体的密度差等流体本身的因密度差等流体本身的因素素产生的流体流动换热产生的流体流动换热.混合对流混合对流(mixed convection):(mixed convection):自然对流和强制流动自然对流和强制流动换热并存换热并存.你现在浏览的是第十页，共53页凝结换热凝结换热:(condensation heat transfer):(condensation heat transfer)物质由气态变为液态时物质由气态变为液态时发生的换热发生的换热.熔化换热熔化换热(melting heat transfer)(melting heat transfer)凝固换热凝固换热(solidification heat transfer)(solidification heat transfer)升华换热升华换热(sublimation heat transfer)(sublimation heat transfer)凝华换热凝华换热（sublimation heat transfer sublimation heat transfer）相变换热相变换热:传热过程中有相变发生传热过程中有相变发生.物质有三态物质有三态,固态固态,液态液态,气态气态，称三相，称三相.相变换热又分为相变换热又分为:沸腾换热沸腾换热:(boiling heat transfer):(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生的换物质由液态变为气态时发生的换热热.2.按有无相变分你现在浏览的是第十一页，共53页层流流动换热层流流动换热(laminar heat transfer)(laminar heat transfer)紊流流动换热紊流流动换热(turbulent heat transfer)(turbulent heat transfer)4.4.按几何形状按几何形状管内管内(槽道内槽道内)流动流动(flow in ducts)(flow in ducts)外部绕流外部绕流(around vertical plant)(around vertical plant)3.按流动形式分你现在浏览的是第十二页，共53页对流换热的分类表对流换热的分类表你现在浏览的是第十三页，共53页无滑移边界条件无滑移边界条件令上两式相等则有令上两式相等则有则则二、对流传热的基本公式(h 的确定方式)你现在浏览的是第十四页，共53页一、假设条件一、假设条件 为简化分析为简化分析,对于常见影响对流换热问题的主要因素对于常见影响对流换热问题的主要因素,做如下做如下假设假设:(1)(1)流动是流动是二维二维的的;(2)(2)流体为流体为不可压缩的牛顿流体不可压缩的牛顿流体;(3)(3)流体流体物性为常数物性为常数,无内热源无内热源;(4)(4)流速不高流速不高,忽略粘性耗散忽略粘性耗散(摩擦损失摩擦损失););(5)(5)流体为流体为连续性连续性介质介质5-2 对流换热问题的数学描述你现在浏览的是第十五页，共53页微元控制体微元控制体二、能量方程的推导.你现在浏览的是第十六页，共53页利用热力学第一定律有利用热力学第一定律有 导入的净热量导入的净热量+流入的净热量流入的净热量=系统内的焓增系统内的焓增在在x x方向上导入的净热量有：方向上导入的净热量有：在在y y方向上导入的净热量：方向上导入的净热量：在在x x方向上流入的净热量方向上流入的净热量你现在浏览的是第十七页，共53页略去高次项后得略去高次项后得代入热力学第一定理得代入热力学第一定理得单位时间内的微元控制体内的焓增单位时间内的微元控制体内的焓增同理得同理得Y Y方向上的净热量方向上的净热量你现在浏览的是第十八页，共53页1 1.连续性方程连续性方程(continuity equation)(continuity equation)2.2.动量守恒方程动量守恒方程(momentum equation)(momentum equation)惯性力惯性力(inertial force)(inertial force)体积力体积力(body force)(body force)压力梯度压力梯度(pressure(pressure gradient)gradient)粘性力粘性力(viscous force)(viscous force)3.3.能量守恒方程能量守恒方程 （energy equation)energy equation)能量变化能量变化对流项对流项导热项导热项三.对流换热微分方程组.你现在浏览的是第十九页，共53页=未知量：未知量：u,v,p,t,hu,v,p,t,h=方程：方程：五个五个=方程组是封闭的方程组是封闭的,可求解可求解 =强烈非线性强烈非线性 4.4.换热微分方程换热微分方程(无滑移边界条件无滑移边界条件)你现在浏览的是第二十页，共53页1.1.初始条件初始条件 2.2.边界条件边界条件:第一类边界条件第一类边界条件,规定规定边界上流体的温度分布边界上流体的温度分布.第二类边界条件第二类边界条件,给定边界上加热或冷却流体的给定边界上加热或冷却流体的 热流密度热流密度.为何不用第三类边界条件？为何不用第三类边界条件？四.定解条件.n解析解：解析解：解微分方程组解微分方程组n数值解：数值解：:计算机进行数值计算计算机进行数值计算n实验方法（理论分析法与实验相结合）实验方法（理论分析法与实验相结合）n比拟法：动量传递与热量传递相似性比拟法：动量传递与热量传递相似性五、求解方法你现在浏览的是第二十一页，共53页l流速流速：V V h h V=V=0 0 无对流无对流l物性物性表征物质物理特性的物理量表征物质物理特性的物理量密度（密度（density)density)，粘性（，粘性（viscosity)viscosity)，热导率，热导率(thermal conductivity)(thermal conductivity)，比热（，比热（specific heat capacity)specific heat capacity)等，其他条件相同时，不同的流体换热量不同，就是等，其他条件相同时，不同的流体换热量不同，就是因为物性不同因为物性不同l流体及壁面温度流体及壁面温度 定性温度定性温度（reference temperature)reference temperature)六、影响对流换热的因素你现在浏览的是第二十二页，共53页l流动状态流动状态:层流层流，紊流紊流;l壁面形状壁面形状,位置位置 形状形状(平板平板,圆管圆管)位置位置(横放横放,竖放竖放,管内管内,管外管外)综上所述综上所述 Newton cooling law Newton cooling law 只是一种处理方法只是一种处理方法,既将许多因素都加在既将许多因素都加在h h上。对流换热的内容实际都是讨论上。对流换热的内容实际都是讨论 h h 如何确定如何确定.层流层流过渡流过渡流（旺盛）湍流（旺盛）湍流 对于管内流动对于管内流动,你现在浏览的是第二十三页，共53页一一.边界层的概念边界层的概念1.1.流动流动(速度速度)边界层：边界层：靠近壁面处靠近壁面处流体速度发生显著变化流体速度发生显著变化的薄层的薄层l边界层的厚度边界层的厚度(boundary layer thickness):(boundary layer thickness):达到主流速度的达到主流速度的99%99%处至固体壁面的垂直距离处至固体壁面的垂直距离5-3 边界层分析及边界层微分方程组你现在浏览的是第二十四页，共53页l边界层的特点边界层的特点(1)(1)有层流有层流(laminar flow),(laminar flow),紊流紊流(turbulent flow)(turbulent flow)之分之分.分界点分界点 ReRec c=3X10=3X10553X103X106 6,一般一般 可取可取ReRec c=5X10=5X105 5在紊流区在紊流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2)(2)=(x x)x x (x x)(3)(3)(x x)热扩散热扩散粘性扩散粘性扩散热扩散热扩散你现在浏览的是第二十八页，共53页二、数量级分析方法及边界层换热微分方程组二、数量级分析方法及边界层换热微分方程组 在热边界层内，假设牛顿流体具有常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力.已知：u，t，的量级为0(1)，t ,v 的量级为0(）以此六个量为分析基础。故，数量级定级为1，数量级定级为0导数的数量级由因变量与自变量的数量级确定，所以你现在浏览的是第二十九页，共53页的数量级为1，这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致）x x方向的动量扩散可以忽略方向的动量扩散可以忽略你现在浏览的是第三十页，共53页最后，我们得到：x x方向的导热可以忽略方向的导热可以忽略你现在浏览的是第三十一页，共53页其中dp/dx是已知量，可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定（忽略重力或平面流动）边界条件你现在浏览的是第三十二页，共53页上述方程的求解结果（层流）及局部换热系数为（1908,Blasius,1921,Pohlhausen)上式改写为无量纲量 称为努塞尔数努塞尔数，记为Nu于是，外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为上式称为特征数方程特征数方程，习惯上称为准则方程准则方程或关联式关联式。你现在浏览的是第三十三页，共53页5-4 5-4 准则数准则数雷诺数：雷诺数：毕渥数：毕渥数：贝克莱数：贝克莱数：普朗特数：普朗特数：努塞尔数：努塞尔数：格拉晓夫数：格拉晓夫数：你现在浏览的是第三十四页，共53页=自然对流（自然对流（natural or free convectionnatural or free convection）：由于流体自身的）：由于流体自身的温度温度 场场不均匀性引起的流动不均匀性引起的流动，密度是运动的动力。，密度是运动的动力。实例：实例：暖器散热暖器散热，电子元件散热电子元件散热。特点特点:速度速度分布两端小，中间大，分布两端小，中间大，温度温度分布与强制对流相分布与强制对流相 似。似。一般情况下，一般情况下，不均匀稳度场只发生在靠近不均匀稳度场只发生在靠近 换热面换热面的薄层内的薄层内，形成自然对流边界层。，形成自然对流边界层。与平板的类似，也有层流湍与平板的类似，也有层流湍流之分流之分5-55-5 自然对流换热及其实验关联式自然对流换热及其实验关联式你现在浏览的是第三十五页，共53页=分类分类所研究对象周围无其它物体影响换热。只要所研究对象周围无其它物体影响换热。只要边界层边界层不受干扰不受干扰即为大空间。即为大空间。有限空间自然对流有限空间自然对流：不满足大空间条件：不满足大空间条件大空间自然对流大空间自然对流你现在浏览的是第三十六页，共53页其中其中 体膨胀系数体膨胀系数(volume coefficient of expansion)(volume coefficient of expansion)对于理想气体对于理想气体 p pv=RT=RT定性温度定性温度:一、大空间自然对流换热的实验关联式一、大空间自然对流换热的实验关联式你现在浏览的是第三十七页，共53页你现在浏览的是第三十八页，共53页例例5-8 5-8 室温为室温为1010的大房间中有一个直径为的大房间中有一个直径为10cm10cm的烟囱，其竖的烟囱，其竖直部分高为直部分高为1.5m1.5m，水平部分长，水平部分长15m15m。求烟囱的平均壁温为。求烟囱的平均壁温为 110 110 时，对流散热量。时，对流散热量。你现在浏览的是第三十九页，共53页例例5-8 5-8 室温为室温为1010的大房间中有一个直径为的大房间中有一个直径为10cm10cm的烟囱，其竖直部的烟囱，其竖直部分高为分高为1.5m1.5m，水平部分长，水平部分长15m15m。求烟囱的平均壁温为。求烟囱的平均壁温为 110 110 时，对时，对流散热量。流散热量。解：定性温度解：定性温度由附录由附录(p187)(p187)查得，查得，60 60 时空气的物性时空气的物性（1 1）烟囱竖直部分的散热）烟囱竖直部分的散热你现在浏览的是第四十页，共53页由前表知由前表知你现在浏览的是第四十一页，共53页（2 2）烟筒水平部分的散热）烟筒水平部分的散热所以所以你现在浏览的是第四十二页，共53页夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度 为为特征长度特征长度的的GrGr数。数。计算采用书上推荐的实验关联式计算采用书上推荐的实验关联式二、有限空间自然对流换热的实验关联式二、有限空间自然对流换热的实验关联式你现在浏览的是第四十三页，共53页例例5-9 5-9 一个竖封闭夹层，两壁由边长为一个竖封闭夹层，两壁由边长为0.5m0.5m的方形壁组成，的方形壁组成，两壁间距为两壁间距为15mm15mm，温度分别为，温度分别为100 100，40 40。试计算通过此。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。空气夹层的自然对流换热量。你现在浏览的是第四十四页，共53页例例5-9 5-9 一个竖封闭夹层，两壁由边长为一个竖封闭夹层，两壁由边长为0.5m0.5m的方形壁组成，的方形壁组成，两壁间距为两壁间距为15mm15mm，温度分别为，温度分别为100 100，40 40。试计算通过此。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。空气夹层的自然对流换热量。解：定性温度为两壁的平均温度解：定性温度为两壁的平均温度从附录查得空气物性为从附录查得空气物性为对于空气：对于空气：你现在浏览的是第四十五页，共53页按式按式5-425-42计算，即计算，即所以所以自然对流换热量按牛顿冷却公式计算自然对流换热量按牛顿冷却公式计算你现在浏览的是第四十六页，共53页一、影响强制对流换热的因素一、影响强制对流换热的因素1.1.层流与紊流层流与紊流 Re2200 Re2200 层流层流 2200Re10 2200Re10 Re104 4 旺盛紊流旺盛紊流5-6 5-6 内部流动强制对流换热实验关联式内部流动强制对流换热实验关联式你现在浏览的是第四十七页，共53页2.2.入口段的影响入口段的影响流体进入管中，便形成流体进入管中，便形成边界层边界层，其厚度从，其厚度从o o点处逐渐增大，直至点处逐渐增大，直至汇合，汇合点将管流分为两段，即汇合，汇合点将管流分为两段，即入口段入口段和和充分发展段充分发展段。充分发展段充分发展段：沿管长截面上的速度分布不变沿管长截面上的速度分布不变的管段的管段,也叫也叫定性段定性段。你现在浏览的是第四十八页，共53页Laminar flow Laminar flow 随着流动方向而增加随着流动方向而增加 Turbulent flow Turbulent flow 开始同层流，进入紊流后开始同层流，进入紊流后非定性段非定性段：截面上的速度分布随管长而变化的。：截面上的速度分布随管长而变化的。在入口段，局部对流换热系数随流动方向而变化。如上图所示。在入口段，局部对流换热系数随流动方向而变化。如上图所示。你现在浏览的是第四十九页，共53页其中其中流体被加热流体被加热流体被冷却流体被冷却特征尺寸特征尺寸,圆管内径圆管内径定性温度定性温度适用范围适用范围充分发展段充分发展段气体气体水水油油（Dittus-Boelter公式）二、圆管内紊流换热实验关联式二、圆管内紊流换热实验关联式1.1.中温以下温差的管内紊流强制对流换热中温以下温差的管内紊流强制对流换热你现在浏览的是第五十页，共53页例例 5-5 5-5 从从加热到加热到内径内径d=20mmd=20mm，水在，水在管内的流速为管内的流速为u=2m/su=2m/s，求换热系数。，求换热系数。已知：已知：求：求：h h你现在浏览的是第五十一页，共53页例例 5-5 5-5 从从加热到加热到内径内径d=20mmd=20mm，水在，水在管内的流速为管内的流速为u=2m/su=2m/s，求换热系数。，求换热系数。已知：已知：求：求：h h解（解（1 1）管内强制对流）管内强制对流用圆管内强制对流公式。用圆管内强制对流公式。（2 2）定性温度，）定性温度，你现在浏览的是第五十二页，共53页查取物性，附录查取物性，附录7 7得：得：（3 3）计算准则，选定公式。）计算准则，选定公式。（4 4）代入公式计算，考虑修正）代入公式计算，考虑修正因为是加热流体因为是加热流体n=0.4n=0.4你现在浏览的是第五十三页，共53页