《对流换热》PPT课件.ppt
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1、第十章对流换热王连登对流换热的机理及影响因素对流换热的机理及影响因素 对流换热微分方程组对流换热微分方程组 对流换热的准数方程式对流换热的准数方程式 强制对流换热的计算强制对流换热的计算 自然对流换热的计算自然对流换热的计算要求重点掌握内容:对流换热微分方程组、要求重点掌握内容:对流换热微分方程组、对流换热的准数方程式、强制对流换热的对流换热的准数方程式、强制对流换热的计算。计算。1.名名称称:对对流流换换热热即即对对流流传传热热,又又称称对对流流热热交交换换、对对流流给热。给热。2.含含义义:流流体体流流过过表表面面时时与与该该表表面面之之间间所所发发生生的的热热量量传传输过程。输过程。3.
2、前提条件:流体的流动。前提条件:流体的流动。4.组成:传导热量传输(取决于温度梯度)组成:传导热量传输(取决于温度梯度)对流热量传输对流热量传输第一节第一节 对流换热对流换热10-1 对流换热概述对流换热概述1 对流换热的定义和性质对流换热的定义和性质对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象热量传递现象。对流换热实例:对流换热实例:1)暖气管道暖气管道;2)电子器件冷却;电子器件冷却;3)电电 风扇风扇 对流换热与热对流不同,既有热对流,也有导热;不对流换热与热对流不同,既有热对流,也有导热;不 是基本传热方式是基本传热方式(1)
3、导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响,紧由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响,紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2 对流换热的特点对流换热的特点3 对流换热的基本计算式对流换热的基本计算式牛顿冷却式牛顿冷却式:4 表面传热系数(对流换热系数表面传热系数(对流换热系数)当当流流体体与与壁壁面面温温度度相相差差1度度时时、每每单单位位壁壁面面面面积上、单位时间内所传递的热量积
4、上、单位时间内所传递的热量如何确定如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题及增强换热的措施是对流换热的核心问题研究对流换热的方法:研究对流换热的方法:(1)分析法)分析法 (2)实验法)实验法 (3)比拟法)比拟法 (4)数值法)数值法5 对流换热的影响因素对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面:结果。其影响因素主要有以下五个方面:(1)流动起因流动起因;(2)流动状态流动状态;(3)流体有无相变流体有无相变;(4)换热表面的几何因素换热表面的几何因素;(5)流体的热物理
5、性质流体的热物理性质6 对流换热的分类:对流换热的分类:(1)流动起因流动起因自然对流:流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产自然对流:流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动生的流动强制对流:由外力(如:泵、风机、水压头)作用所产生强制对流:由外力(如:泵、风机、水压头)作用所产生 的流动的流动 (2)流动状态流动状态(3)流体有无相变流体有无相变层流:整个流场呈一簇互相平行的流线层流:整个流场呈一簇互相平行的流线湍流:流体质点做复杂无规则的运动湍流:流体质点做复杂无规则的运动(紊流)(紊流)(Laminar flow)(Turbulent flow)单相换热:单相换热:相变换热
6、:凝结、沸腾、升华、凝固、融化等相变换热:凝结、沸腾、升华、凝固、融化等(Single phase heat transfer)(Phase change)(Condensation)(Boiling)(4)换热表面的几何因素:换热表面的几何因素:内部流动对流换热:管内或槽内内部流动对流换热:管内或槽内外部流动对流换热:外掠平板、圆管、管束外部流动对流换热:外掠平板、圆管、管束(5)流体的热物理性质:流体的热物理性质:热导率热导率密度密度比热容比热容动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度体胀系数体胀系数综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:对流换热分类小结对
7、流换热分类小结7 对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式当当粘粘性性流流体体在在壁壁面面上上流流动动时时,由由于于粘粘性性的的作作用用,流流体体的的流流速速在在靠靠近近壁壁面面处处随随离离壁壁面面的的距距离离的的缩缩短短而而逐逐渐渐降降低低;在在贴贴壁壁处处被被滞滞止止,处处于于无无滑滑移移状状态态(即即:y=0,u=0)在这极薄的贴壁流体层中,热量只能以导热方式传递在这极薄的贴壁流体层中,热量只能以导热方式传递根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:根据牛顿冷却公式:根据牛顿冷却公式:?由傅里叶定律与牛顿冷却公式:由傅里叶定律与牛顿冷却公式:对流换热过程对流换热
8、过程微分方程式微分方程式温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况(层流或温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况(层流或紊流)、流速的大小及其分布、表面粗糙度等紊流)、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 温度场温度场取决于流场取决于流场速度场和温度场由对流换热微分方程组确定:速度场和温度场由对流换热微分方程组确定:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度10-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述 b)
9、流体为不可压缩的牛顿型流体流体为不可压缩的牛顿型流体为便于分析,只限于分析二维对流换热为便于分析,只限于分析二维对流换热 即:服从牛顿粘性定律的流体;即:服从牛顿粘性定律的流体;而油漆、泥浆等不遵守该定而油漆、泥浆等不遵守该定 律,称非牛顿型流体律,称非牛顿型流体c)所有物性参数(所有物性参数(、cp、)为常量)为常量4个未知量个未知量::速度速度 u、v;温度;温度 t;压力;压力 p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(3)需要需要4个方程个方程:a)流体为连续性介质流体为连续性介质假设:假设:1 质量守恒方程质量守恒方程(连续性方程连续性方程)M 为质
10、量流量为质量流量 kg/s流体的连续流动遵循质量守恒规律流体的连续流动遵循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 的微元体的微元体单位时间内、沿单位时间内、沿x轴方向、轴方向、经经x表面流入微元体的质量表面流入微元体的质量单位时间内、沿单位时间内、沿x轴方向、经轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量表面流出微元体的质量单位时间内、沿单位时间内、沿x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、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:单位时间内微元体单位时间内微元体内流体质量的变化内流体质量的变化:微元体内流
11、体质量守恒:微元体内流体质量守恒:流入微元体的净质量流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化微元体内流体质量的变化(单位时间内单位时间内)二维连续性方程二维连续性方程三维连续性方程三维连续性方程对于二维、稳态流动、密度为常数时:对于二维、稳态流动、密度为常数时:2 动量守恒方程动量守恒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总和等于控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制体中流体动量的变化率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作用力作用力=质量质量 加速度(加速度(F=ma)作用力:体积力、表面力作用力:体积力、表面力体积力体积力:重
12、力、离心力、电磁力重力、离心力、电磁力法向应力法向应力 中包括了压力中包括了压力 p 和法和法向粘性应力向粘性应力 ii压力压力 p 和法向粘性应力和法向粘性应力 ii的区别:的区别:a)无论流体流动与否,无论流体流动与否,p 都存在;而都存在;而 ii只存在于流动时只存在于流动时b)同一点处各方向的同一点处各方向的 p 都相同;而都相同;而 ii与表面方向有关与表面方向有关动量微分方程动量微分方程 Navier-Stokes方程(方程(N-S方程)方程)(1)惯性项(惯性项(ma););(2)体积力;体积力;(3)压强梯度;压强梯度;(4)粘滞力粘滞力对于稳态流动:对于稳态流动:只有重力场时
13、:只有重力场时:3 能量守恒方程能量守恒方程微元体微元体(见图)(见图)的能量守恒:的能量守恒:描述流体温度场描述流体温度场导入与导出的净热量导入与导出的净热量+热对流传递的净热量热对流传递的净热量+内热源发热量内热源发热量 =总能量的增量总能量的增量+对外对外作作膨胀功膨胀功Q=E+WW 体积力体积力(重力重力)作作的功、表面力的功、表面力作作的功的功假设:假设:(1)流体的热物性均为常量,流体不做功)流体的热物性均为常量,流体不做功 (2)流体不可压缩)流体不可压缩(4)无化学反应等内热源)无化学反应等内热源 UK=0Q内热源内热源=0(3)一般工程问题流速低)一般工程问题流速低 W0Q导
14、热导热+Q对流对流=U热力学能热力学能 单位单位时间内、时间内、沿沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量:方向热对流传递到微元体的净热量:单位单位时间内、时间内、沿沿 y 方向热对流传递到微元体的净热量:方向热对流传递到微元体的净热量:导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程能量守恒方程能量守恒方程对流换热微分方程组对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可常物性、无内热源、二维、不可 压缩牛顿流体压缩牛顿流体)前面前面4个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却微分方程:微分方程:计算当地对流换热系数计算当地对流换热系数4个方程,个方程,4个
15、未知量个未知量 可求得速度场可求得速度场(u,v)和温和温度场度场(t)以及压力场以及压力场(p),既适用于层流,也适用于既适用于层流,也适用于紊流(瞬时值)紊流(瞬时值)4 表面传热系数的确定方法表面传热系数的确定方法(1)微分方程式的数学解法)微分方程式的数学解法a)精确解法(精确解法(分析解):根据边界层理论,得到分析解):根据边界层理论,得到 边界层微分方程组边界层微分方程组 常微分方程常微分方程 求解求解b)近似积分法近似积分法:假设边界层内的速度分布和温度分布,解积分方程假设边界层内的速度分布和温度分布,解积分方程c)数值解法:近年来发展迅速)数值解法:近年来发展迅速 可求解很复杂
16、问题:三维、紊流、变物性、超音速可求解很复杂问题:三维、紊流、变物性、超音速(2)动量传递和热量传递的类比法)动量传递和热量传递的类比法利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律,由湍流时利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律,由湍流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数(3)实验法)实验法 用相似理论指导用相似理论指导5 对流换热过程的单值性条件对流换热过程的单值性条件单值性条件单值性条件:能单值地反映对流换热过程特点的条件能单值地反映对流换热过程特点的条件单值性条件包括四项:几何、物理、时间、边界单值性条件包括四项:几何、物理、时间、边界完整数学描述:对
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