工程传热学第四章-对流换热原理分析幻灯片课件.ppt

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1、华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science&EngineeringScience&Engineering工程工程传热学第四章学第四章-对流流换热原原理分析理分析流流体体和和与与之之接接触触的的固固体体壁壁面面之之间间的的热热量量传传递递过过程程，是是宏宏观观的的热热对对流流与与微微观观的的热热传传导导的的综综合合传传热热过过程程。不不是基本传热方式。是基本传热方式。4-1 对流换热概述对流换热概述1.1.对流换热过程对流换热过

2、程 对流换热的特点对流换热的特点：导热导热与与热对流热对流同时存在的复杂热同时存在的复杂热传递过程传递过程 必须有必须有直接接触直接接触（流体与壁面）（流体与壁面）和和宏观运动宏观运动；也必须有；也必须有温差温差来流速度来流速度：u 来流温度来流温度：t 固体壁面温度固体壁面温度：twy t u tw qw x流动起因流动起因自自然然对对流流：流流体体因因各各部部分分温温度度不不同同而引起的密度差异所产生的流动而引起的密度差异所产生的流动强强制制对对流流：由由外外力力(如如：泵泵、风风机机、水压头水压头)作用所产生的流动作用所产生的流动2.2.对流换热的分类对流换热的分类流动状态流动状态层层流

3、流：整整个个流流场场呈呈一一簇簇互互相相平平行行的的流线流线(Re 。“”相当于相当于u沿边界层厚度由沿边界层厚度由0到到u:主流方向上的无量纲速度主流方向上的无量纲速度 的数的数量级为量级为1 由连续性方程由连续性方程:可以得出可以得出V的数量级为的数量级为 x方向上的动量方程变为：方向上的动量方程变为：0由于动量方程由两个变成为一个，而且由于动量方程由两个变成为一个，而且项项可可在在边边界界层层的的外外边边缘缘上上利利用用伯伯努努利利方方程程求求解解，于于是是方方程程组组在在给给定定的的边边值值条条件件下下可可以以进进行分析求解，所得结果为边界层的行分析求解，所得结果为边界层的精确解精确解

4、。对对于于外外掠掠平平板板的的层层流流流流动动，主主流流场场速速度度是是均均速速u ，温温度度是是均均温温t ；并并假假定定平平板板为为恒恒温温tw。注意：层流注意：层流 比较边界层无量纲的动量方程和能量方程：比较边界层无量纲的动量方程和能量方程：在忽略动量方程压力项后，温度边界层的厚在忽略动量方程压力项后，温度边界层的厚度与速度边界层的厚度的相对大小则取决于度与速度边界层的厚度的相对大小则取决于普朗特数的大小。普朗特数的大小。当当Pr=1时，动量方程与能量方程完全相同。时，动量方程与能量方程完全相同。即速度分布的解与温度分布完全相同，此时即速度分布的解与温度分布完全相同，此时速度边界层厚度等

5、于温度边界层厚度速度边界层厚度等于温度边界层厚度。当当Pr1时时，Pr=，a，粘粘性性扩扩散散 热热量量扩扩散，散，速度边界层厚度速度边界层厚度温度边界层厚度温度边界层厚度。当当Pr1时时，Pr=/a，a，粘粘性性扩扩散散 热热量量扩扩散，速度边界层厚度散，速度边界层厚度温度边界层厚度。温度边界层厚度。也可从公式得出也可从公式得出 TuTx0t tux0t t(a)Pr1边边界界层层积积分分方方程程一一般般可可由由两两种种方方法法获获得得：其其一一是是将将动动量量守守恒恒定定律律和和能能量量守守恒恒定定律律应应用用于于控控制制体体；其其二二是是对对边边界层微分方程直接进行积分。界层微分方程直接

6、进行积分。3.3.边界层积分方程组及其求解边界层积分方程组及其求解对对一一固固定定x，将将能能量量方方程程从从y=0到到y=t 积分得：积分得：能量方程为：能量方程为：由分部积分：由分部积分：（b）将将v转化为转化为u，利用，利用式中的扩散项为：式中的扩散项为：代入代入(b)式得：式得：上式左边可进一步简化为：上式左边可进一步简化为：最后能量积分方程为：最后能量积分方程为：以以稳态常物性流体强制掠过平板层稳态常物性流体强制掠过平板层流时流时的换热作为讨论对象。的换热作为讨论对象。求解流动边界层厚度及摩擦系数求解流动边界层厚度及摩擦系数为求解上式，还需补充边界层速度为求解上式，还需补充边界层速度

7、分布函数分布函数u=f(y)。选用以下有。选用以下有4个任个任意常数的多项式作为速度分布的表意常数的多项式作为速度分布的表达式达式:式中，式中，4个待定常数由边界条件及边个待定常数由边界条件及边界层特性的推论确定，即界层特性的推论确定，即 由此求得由此求得4个待定常数为个待定常数为 于是速度分布表达式为于是速度分布表达式为 积分得积分得 注意到注意到x=0时时=0，得，得 无量纲表达式为无量纲表达式为 其其中中Rex=ux/,其其特特性性尺尺度度为为离离平平板前缘的距离板前缘的距离x。在在x处的壁面局部切应力处的壁面局部切应力 因此，对于流体流过平板，满足因此，对于流体流过平板，满足边界层边界

8、层假设的条件就是雷诺数足够大。假设的条件就是雷诺数足够大。由此也由此也就知道，当速度很小、黏性很大时或在就知道，当速度很小、黏性很大时或在平板的前沿，边界层是难以满足薄层性平板的前沿，边界层是难以满足薄层性条件。条件。随着随着x的增大，的增大，(x)也逐步增大，同时黏也逐步增大，同时黏性力对流场的控制作用也逐步减弱，从性力对流场的控制作用也逐步减弱，从而使边界层内的流动变得紊乱。而使边界层内的流动变得紊乱。把把边边界界层层从从层层流流过过渡渡到到紊紊流流的的x值值称称为为临临界界值值，记记为为xc，其其所所对对应应的的雷雷诺诺数数称称为为临界雷诺数临界雷诺数，即，即 流体平行流体平行流过流过平

9、板的临界雷平板的临界雷诺数诺数大约是大约是 求解热边界层厚度及换热系数求解热边界层厚度及换热系数 选用带选用带4个常数的多项式：个常数的多项式：式式中中，4个个待待定定常常数数由由边边界界条条件件及及热热边边界界层层特特性的推论确定，即性的推论确定，即 y=0时时 t=tw且且 y=时时t=t且且 由此求得由此求得4个待定常数为个待定常数为 g=0 若用以若用以tw为基准点的过余温度为基准点的过余温度=t-tw来表达，来表达，则温度分布表达式为则温度分布表达式为 e=tw能量积分方程式（能量积分方程式（2）用过余温度表示为）用过余温度表示为 进进一一步步求求解解中中，令令热热边边界界层层厚厚度

10、度与与流流动动边边界界层层厚厚度度之之比比t/=，并并假假定定1的流体显然是适用的。的流体显然是适用的。最后得到：最后得到：在在同同一一位位置置上上热热边边界界层层厚厚度度与与速速度度边边界界层层厚厚度度的的相相对对大大小小与与流流体体的的普普朗朗特特数数Pr有有关关，也也就就是是与与流流体体的的热热扩扩散散特特性性和和动动量量扩扩散散特特性性的的相对大小有关。相对大小有关。由由此此式式可可以以看看出出，热热边边界界层层是是否否满满足足薄薄层层性性的的条条件件，除除了了Rex足足够够大大之之外外还还取取决决于于普普朗朗特特数数的的大大小小，当当普普朗朗特特数数非非常常小小时时（Pr1）,热热边

11、边界层相对于速度边界层就很厚，反之则很薄。界层相对于速度边界层就很厚，反之则很薄。热热边边界界层层也也会会因因为为速速度度边边界界层层从从层层流流转转变变为为紊流而出现紊流热传递状态下的热边界层。紊流而出现紊流热传递状态下的热边界层。按按照照普普朗朗特特的的假假设设，在在紊紊流流状状态态下下速速度度边边界界层与热边界层具有相同的数量级，即层与热边界层具有相同的数量级，即其次求解局部换热系数其次求解局部换热系数hx 其无量纲表达形式为其无量纲表达形式为 ：最后求解平均换热系数最后求解平均换热系数h 计算物性参数用计算物性参数用的定性温度为膜的定性温度为膜温度温度 例例题题4-2 温温度度为为30

12、的的空空气气以以0.5m/s的的速速度度平平行行掠掠过过长长250mm、温温度度为为50的的平平板板，试试求求出出平平板板末末端端流流动动边边界界层层和和热热边边界界层层的的厚厚度度及及空空气气与与单单位位宽宽度度平平板板的换热量。的换热量。解解：边界层的平均温度为边界层的平均温度为 空空 气气 40的的 物物 性性 参参 数数 分分 别别 为为 v=16.96x10-6m2/s,=2.76x102W/m.k,Pr=0.699,在在离离平平板板前前沿沿250mm处处，雷诺数为雷诺数为 边界层为层流。流动边界层的厚度为边界层为层流。流动边界层的厚度为 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 可见，空气

13、的热边界层比流动边界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 1m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 作业作业思考题：思考题：4-10，4-12习题：习题：4-10华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science&EngineeringScience&Engineering此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢