第4章对流传热原理课件.ppt

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1、南京师范大学南京师范大学NANJING NORMAL UNIVERSITYNANJING NORMAL UNIVERSITY第4章对流传热原理第1页，此课件共48页哦内容要求内容要求:l对流换热概说；对流换热概说；l对流传热问题的数学描述；对流传热问题的数学描述；l边界层对流传热问题的数学描写；边界层对流传热问题的数学描写；l对流传热的实验研究。对流传热的实验研究。第2页，此课件共48页哦 2.对流换热（Convection heat transfer）:流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用的 热量传递现象。1.对流（Convection）：是指流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体

2、相互掺混所引起的热量传递现象。平壁表面的传热机理4.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 对流传热的基本概念和计算公式对流传热的基本概念和计算公式第3页，此课件共48页哦3.牛顿冷却公式（Newtons law of cooling）l 外部绕流（外掠平板，圆管），tf 为流体的主流温度。l内部流动（各种形状槽道内的流动），tf 为流体的平均温度。d管内流动tf式中：lh 固体表面的平均表面换热系数。l tw 固体表面的平均温度。l tf 流体温度。第4页，此课件共48页哦4.局部表面传热系数与平均表面传热系数 局部对流换热时局部热流密度：整个换热物体表面的总对流换热量：平均表面传热系数

3、：tw-tf=Const对流换热的核心问题第5页，此课件共48页哦 对流换热是流体的导热和热对流两种基本方式共同作用的结果。因此凡是影响流体导热和对流的因素都将对对流换热产生影响。归纳起来，主要有以下五方面：l 流动的成因（自然对流,强制对流）l 流动的流动状态（层流,紊流）l 换热时物体有无相变（沸腾,凝结）l 流体的物性（导热系数,粘度,密度,比热容等）l 换热表面的几何因素 4.1.2 4.1.2 对流传热的影响因素对流传热的影响因素第6页，此课件共48页哦1.流动的起因 强迫对流，自然对流。流动的起因不同，流体内的速度分布，温度分布不同，对流换热的规律也不同。强迫对流：强迫对流：流体在

4、泵，风机或其他外部动力作用下产生的流动。自然对流：自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。强迫对流空气h：自然对流 第7页，此课件共48页哦 2.流动的流动状态 层流流动，湍流流动。层流层流(Laminar flow)：l流速缓慢；l 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动；l 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）第8页，此课件共48页哦 湍流湍流(Turbulent flow)：l流体内部存在强烈脉动和旋涡运动；l 各部分流体之间迅速混合；l 热量传递：主要靠对流。湍流边界层 层流底层：导热 湍流核心区：对流导热对流第9页，此课件共48页哦3.流体有无相变有相变 沸腾换热，凝结换热。流体发生相

5、变时的换热规律及强度和单相流体不同。Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling waterCondensation of water vapour on the outer surface of a cold water pipe第10页，此课件共48页哦4.流体的热物理性质对对流换热的强弱有非常大的影响。密度和比热容：l体积热容 ：单位体积流体热容量的大小。导热系数：l影响流体内部的热量传递过程和温度分布；l越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。常温下：空气水常温下：空气水

6、水的换热能力远高于空气 水的冷却能力强于空气第11页，此课件共48页哦粘度：l影响速度分布与流态（层流，湍流）；l 越大，分子间约束越强，相同流速下不易 发展成湍流状态。l 高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。体积膨胀系数：l对自然对流换热有很大影响；l 影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小。第12页，此课件共48页哦5.换热表面的几何因素换热表面的几何形状，尺寸，相对位置，表面状态（光滑或粗糙）等。l对对流换热有显著影响；l 影响流态，速度分布，温度分布。d管内流动特征长度第13页，此课件共48页哦总结影响对流换热的因素：l 对强迫对流换热：l 对自然对流换热：浮升力项包含的因子定性

7、温度用来确定物性参数数值的温度。例如：流体的平均温度；流体与壁面温度的算术平均值等。特征长度代表几何因素对换热的影响。例如：管内换热以内径为特征长度；沿平板流动以流动方向的尺寸为特征长度等。第14页，此课件共48页哦4.1.3 4.1.3 对流传热的研究方法对流传热的研究方法 1.分析法：指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解。可得出精确解或近似解。适用简单问题。2.数值法：对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出预测。3.实验法；相似原理和量纲分析理论。4.比拟法：利用流体动量传递和热量传递的相似机理，建立 表面传热系数和阻力系数之间的

8、相互关系。第15页，此课件共48页哦4.1.4 4.1.4 如何从解得的温度场计算表面传热系数如何从解得的温度场计算表面传热系数固体壁面处局部热流密度：又由牛顿冷却公式：局部表面传热系数：平均表面传热系数：流体的导热系数第16页，此课件共48页哦4.2 4.2 对流传热问题的数学描述对流传热问题的数学描述对流传热问题完整的数学描述：假设l 二维对流换热；l 流体为不可压缩，牛顿流体 ；l 物性参数为常数，无内热源；l 忽略粘性耗散产生的耗散热。对流传热微分方程组定解条件 +质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程第17页，此课件共48页哦 1.连续性方程 根据微元体的质量守恒导出。设速度分布：l

9、二维流动：4.2.1 4.2.1 对流传热的微分方程组对流传热的微分方程组 1823年,Navier(法)1845年,Stokes(英)2.动量微分方程（Navier-Stokes方程）根据微元体的动量守恒导出。惯性力体积力压力梯度粘性力第18页，此课件共48页哦l x方向：l y方向：说明只有重力场作用时l强迫对流换热：忽略重力项；l自然对流换热：浮升力起重要作用。第19页，此课件共48页哦 3.能量微分方程 根据微元体的能量守恒导出。非稳态项 对流项若流体静止：或：导热微分方程 导热项第20页，此课件共48页哦对流换热微分方程组：含有未知量：适用条件：自然对流，强迫对流换热；层流，湍流换热

10、。第21页，此课件共48页哦1.几何条件：对流换热表面的几何形状，尺寸，壁面与流体的相对位置，壁面粗糙度。2.物理条件：流体的物理性质（、）,有无内热源。3.时间条件：对流换热过程进行的时间上的特点。l稳态换热：无初始条件l 非稳态换热：初始时刻的速度场和温度场。4.2.2 4.2.2 对流传热的定解条件对流传热的定解条件第22页，此课件共48页哦4.边界条件：说明对流换热边界上的状态（边界上速度分布，温度分布及与周围环境之间的相互作用）。第一类边界条件：恒壁温边界条件（Constant temp B.C）第二类边界条件：恒热流边界条件（Constant heat rate B.C）对比导热的

11、 边界条件第23页，此课件共48页哦4.3.1 4.3.1 流动边界层流动边界层 (Velocity boundary layer)(Velocity boundary layer)1904年，德国科学家普朗特提出著名的边界层概念。举例：流体平行外掠平板的强迫对流换热。边界层特点 l4.3 4.3 边界层对流传热问题的数学描写边界层对流传热问题的数学描写第24页，此课件共48页哦流场分区：流场分区：边界层区：l速度梯度大，粘性力不能忽略；l 粘性力与惯性力处同一数量级；l 动量交换的主要区域，用动量微分方程描述。主流区：l速度梯度趋于零，粘性力忽略不计；l 流体可近似为理想流体；l 用理想流体

12、的欧拉方程描述。第25页，此课件共48页哦掠过平板时边界层的形成和发展：l层流边界层l过渡区l湍流边界层转戾点湍流边界层的三层结构模型：l层流底层(Laminar sublayer)l 缓冲层(buffer layer)l 湍流核心区(Turbulent region)外掠平板：第26页，此课件共48页哦4.3.2 4.3.2 热边界层热边界层 (Thermal boundary layer)(Thermal boundary layer)1921年，波尔豪森提出。热边界层厚度t：温度场分区：温度场分区：热边界层区：l存在温度梯度，发生热量传递的主要区；l 温度场由能量微分方程描述。主流区：l

13、温度梯度不计，近似等温流动。第27页，此课件共48页哦3.热边界层和流动边界层的关系流动中流体温度分布受速度分布影响。局部表面传热系数的变化趋势。表面传热系数导热对流导热导热热阻增大扰动热阻增大第28页，此课件共48页哦普朗特准数Pr定义：物理意义：流体的动量扩散能力与热量扩散能力之比。对层流边界层，若热边界层和流动边界层从平板前缘点同时发展：l 当 时，l 当 时，l 当 时，对常见流体，Pr范围 0.64000 之间。液态金属0.05气体0.6-0.8油102-103第29页，此课件共48页哦边界层特点边界层特点l 边界层厚度：l,;tl,。l 流场划分为边界层区和主流区。l 边界层有层流

14、边界层和湍流边界层,湍流边界层分为层流底层,缓冲层和湍流核心区三层。l 层流边界层和层流底层，热量传递主要靠导 热。湍流边界层的主要热阻在层流底层。第30页，此课件共48页哦4.3.3 4.3.3 边界层内对流换热微分方程组的简化边界层内对流换热微分方程组的简化 分析对象：常物性，无内热源，不可压缩牛顿流体，二维对流换热：对流换热微分方程组第31页，此课件共48页哦对稳态，忽略重力场，二维强迫对流换热：第32页，此课件共48页哦边界层内简化对流换热方程组介绍：l 首先确定：l 从而：l 且：连续性方程：数量级分析第33页，此课件共48页哦动量微分方程：可忽略能量微分方程：第34页，此课件共48

15、页哦边界层内对流换热微分方程组：边界层外伯努利方程：未知数：,t可求温度分布换热方程：求出表面传热系数第35页，此课件共48页哦4.44.4对流传热的实验研究对流传热的实验研究4.4.1 4.4.1 直接进行对流传热实验的困难直接进行对流传热实验的困难 无相变对流传热系数函数可以表示为：hf(，L，u，c)，因此影响h的变量很多，直接实验难以进行，实验结果难以整理。而且某一特定实验结果不能用于其它情况。比如二个管内对流传热，一个管内径为10mm，另一个管内径为20mm，其余情况完全相同，已测量出第一个管的h=10W/(m2K)，那么第二个管的h是否也为10 W/(m2K)？如果不是，第一个管的

16、h有何作用？第36页，此课件共48页哦因此对流传热实验必须在一定的实验理论指导下进行，这样的实验理论有二个作用：1、减少实验变量，方便实验的进行，实验结果容易整理；2、由少量实验数据整理而得到的实验公式可以用于无穷多的符合条件的实际对流传热问题。第37页，此课件共48页哦4.4.2 4.4.2 对流传热中几个常用的特征数对流传热中几个常用的特征数ReRe数数定义：定义：u称为特征速度，管内流动为流体平均速度，平板流动为主流速度，le称为特征尺寸，反映固体形状特征，管内流动为内径，平板为主流方向长度，为流体运动粘滞系数。ReRe数意义：数意义：ReRe数作用：数作用：和临界Re数一起用于判断流体

17、的流动状态。流动状态不一样，对流传热大小、规律也不相同，因此计算对流传热系数的方程中应出现反映流态的Re数。第38页，此课件共48页哦NuNu数数定义：定义：h为未知的(待求的)对流传热系数，le称为特征尺寸，反映固体表面形状特征，管内流动为内径，平板为主流方向长度，为流体的热导率。和和BiBi数的区别：数的区别：1、用途 2、参数意义NuNu数意义：数意义：表示对流传热的强弱。NuNu数作用：数作用：如果求出Nu数，则待求解的h可求出，因此，传热学中将Nu数称为待定特征数，将Pr、Re等数称为已定特征数。从第六章的方程可以看出这一特点。第39页，此课件共48页哦GrGr数数定义：定义：式中各

18、项意义同前，V为热胀系数，反映受热膨胀能力大小，对理想气体其值为：，t为表面和流体温差。GrGr数的意义数的意义：自然对流中浮升力和粘滞力的相对大小。GrGr数的作用：数的作用：和Re数作用类似，在自然对流的传热系数计算中Gr数应作为已知量出现，因此也是一个已定特征数。已定特征数还有一个Pr数。第40页，此课件共48页哦4.4.3 4.4.3 同类现象同类现象 物理内容相同，且描写现象的微分方程形式相同的现象。导热和导电微分方程形式相同，但内容不同；强迫对流传热和自然对流传热内容相同，但微分方程形式不同。只有两个管内强迫对流传热才是同类现象，两个平板自然对流传热才是同类现象，等等。而平板强迫对

19、流传热和平板自然对流传热不是同类现象。平板强迫层流对流传热和平板强迫紊流对流传热是平板强迫层流对流传热和平板强迫紊流对流传热是同类现象吗同类现象吗?第41页，此课件共48页哦4.4.4 4.4.4 相似现象相似现象两同类现象，如单值性条件相似，同名已定特征数相等，则这二个现象相似。单值性条件是指：单值性条件是指：几何条件、物理条件、边界条件、初始条件等。一般单值性条件相似必有同名已定特征数相等。但单值性条件相似判断较困难，因而较常用的判断现象相似的方法是：先判断是否几何相似，再用已定特征数判断现象是否相似。先判断是否几何相似，再用已定特征数判断现象是否相似。圆管和圆管总是几何相似的，大平板和大

20、平板也总是几何相似的。但圆管流动之间的对流传热现象相似还要满足同名已定特征数相等的条件，如管内流动层流和紊流不相似，层流和层流也不一定相似。第42页，此课件共48页哦4.4.5 4.4.5 现象相似的性质现象相似的性质 二现象相似，则它们的所有同名特征数都相等。因此，判断了二个现象相似之后，可以进一步得出二现象的待定特征数Nu数也相等。4.4.6 4.4.6 特征数的获得特征数的获得 对对流传热现象进行仔细分析，找出影响 h 的所有因素，再用量纲分析法将这些因素进行组合，可得到反映对流传热特征的特征数。或者对描述对流传热现象的微分方程组进行无量纲化分析，也可得到反映对流传热特征的特征数。第43

21、页，此课件共48页哦4.4.7 4.4.7 相似实验相似实验在相似理论指导下进行的实验称为相似实验。首先首先保证实验室的传热设备和实际设备几何相似，然后然后在实验传热设备中改变流体的流速、管径、流体种类（改变Re数和Pr数），通过测量装置算出 h，进而进而可求出各情况下的Nu数，最后最后整理出Nu=f(Re,Pr)，则这一特征数方程可以应用于无穷多的和实验传热相似的对流传热现象。因为函数曲线上有无数个工况点，实际的对流传热问题总可以在这条曲线上找到一点和它相似，曲线上的这一点就称为实际问题的相似工况点。比如，还是前面的二根圆管，在第一根管上进行实验，得到了Nu=f(Re,Pr)，则由第二根管的

22、情况，可求出Re和Pr，将实际管中的Re和Pr代入方程得到的Nu即为实际管中的Nu，进而可求出实际管中的h。第44页，此课件共48页哦4.4.8 4.4.8 特征数（准则数）方程特征数（准则数）方程 经过对各种对流传热现象的无量纲化分析，发现常见对流传热的特征数方程可以写成以下的形式：对于各种强迫对流传热，准则数方程一般为：Nu=f(Re,Pr)如果只是针对空气的对流传热，准则数方程可简化为：Nu=f(Re)对于各种自然对流传热，准则数方程一般为：Nu=f(Gr,Pr)各种对流传热的具体函数形式由实验确定，RePrGr可先确定，为已定准则，是在实验中可以控制的量。Nu包含待求的h，为待定准则，

23、是受控制的量。至此，对流传热实验的困难就全部解决了。第45页，此课件共48页哦4.4.9 4.4.9 近似模化近似模化 按相似理论的要求，很难使实验中的对流传热和原型问题满足所有的相似要求。因此，在实验特征数方程的使用中，根据问题的特点，可以放弃一些次要的相似条件的要求，只要主要的相似条件满足要求，就可认为实际问题和实验现象是相似的。如空气模拟烟气的实验，热条件很难满足相似要求，只要几何相似，特征数相等，可认为相似。圆管和非圆管几何不相似，但只要特征数相等，可认为相似，误差较大，但方便，问题易解决，而且满足工程精度。第46页，此课件共48页哦4.5 4.5 特征数实验关联式的确定特征数实验关联

24、式的确定4.5.1 4.5.1 确定特征数实验关联式的步骤确定特征数实验关联式的步骤1、建立和原型问题几何相似的实验装置2、对所要研究的对流传热现象进行分析，确定所选用的特征数3、进行实验，获得多组特征数4、整理实验数据，获得实验方程式以下的指数函数形式的方程式受到广泛使用采用这种形式方程式的优点：具体选用哪一个要根据问题的性质和特点而决定。第47页，此课件共48页哦4.5.2 4.5.2 实验方程式的正确使用实验方程式的正确使用 为了保证实验方程式用于实际的对流传热问题有足够的精确性，对实验方程式的应用规定了许多限制条件，使用中满足这些条件，可以保证结果的精度（相对误差小于20%)。条件不满足，误差得不到保证。这些条件主要包括：1、特征数范围条件2、传热温差条件3、传热特点条件，有两类：恒壁温对流传热和恒热流传热一般在方程式的下方都有说明，使用中要验证这些条件。第48页，此课件共48页哦