第十章自然对流.ppt

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1、第十章自然对流现在学习的是第1页，共22页When natural convection is importantWeather events such as a thunderstormGlider planesRadiator heatersHot air balloonHeat transfer with pipes and electrical linesOceanic and atmospheric motionsCoffee cup example.Small velocity 现在学习的是第2页，共22页自然对流自然对流要点要点新术语新术语Volumetric thermal e

2、xpansion coefficient 体积膨胀系数体积膨胀系数Grashof number 格拉晓夫数格拉晓夫数Rayleigh number 瑞利数瑞利数浮力是自然对流的驱动力浮力是自然对流的驱动力Buoyancy重点：大空间垂直平壁上的层流自然对流重点：大空间垂直平壁上的层流自然对流Nu关联式关联式自然对流的边界层自然对流的边界层现在学习的是第3页，共22页浮力浮力流体流体 密度差密度差体积力：重力，科里奥利力体积力：重力，科里奥利力 温差温差密度差密度差浮升力浮升力自然对流自然对流自然对流换热自然对流换热现在学习的是第4页，共22页自由发展边界层自由发展边界层热管道，热导线等热管道，

3、热导线等现在学习的是第5页，共22页大空间竖直平壁上的自然对流换热大空间竖直平壁上的自然对流换热u(x,y)ygxvu现在学习的是第6页，共22页现在学习的是第7页，共22页层流，湍流层流，湍流?层层流流：热热阻阻主主要要取取决决于于边边界层厚度，界层厚度，hx逐渐减小逐渐减小湍湍流流：局局部部对对流流换换热热系系数数hx为常数为常数现在学习的是第8页，共22页自然对流换热的方程组自然对流换热的方程组X-动量方程动量方程.已知已知,因此因此浮力浮力现在学习的是第9页，共22页定义定义,体胀系数体胀系数.密度差是由于温差带来的，定义密度差是由于温差带来的，定义现在学习的是第10页，共22页动量方

4、程可写为动量方程可写为连续性方程与能量方程不变：连续性方程与能量方程不变：速度场与温度场强烈耦合，必须同时求解速度场与温度场强烈耦合，必须同时求解现在学习的是第11页，共22页无量纲化无量纲化现在学习的是第12页，共22页定义定义Gr数数,动量方程动量方程自然对流里的自然对流里的Gr数类比于强迫对流里的数类比于强迫对流里的Re数数Gr数的物理意义：浮力与粘性力的比值数的物理意义：浮力与粘性力的比值Gr 数越大，自然对流越强烈数越大，自然对流越强烈flow强迫对流强迫对流自然对流自然对流现在学习的是第13页，共22页 瑞利数Ra：现在学习的是第14页，共22页自然对流换热可分成自然对流换热可分成

5、大空间大空间和和有限空间有限空间两类。两类。大大空空间间自自然然对对流流：流流体体的的冷冷却却和和加加热热过过程程互互不不影影响响，边边界界层层不不受干扰。受干扰。如图两个热竖壁。底部封闭，只要如图两个热竖壁。底部封闭，只要底底部部开开口口时时，只只要要 壁壁面面换换热热就就可可按按大大空空间间自自然然对对流流处理。（大空间的相对性）处理。（大空间的相对性）现在学习的是第15页，共22页u(x,y)ygxvu竖直平壁上的自然对流换热，常壁温竖直平壁上的自然对流换热，常壁温y :u=0,t=t y 0 :u=0,t=tw竖直圆柱：竖直圆柱：现在学习的是第16页，共22页 对常热流情况，对常热流情

6、况，q=constant,如何计算如何计算Nu?采用平壁中心的温度采用平壁中心的温度tl/2作为作为Gr数和牛顿冷却公式中的特征温度，针对数和牛顿冷却公式中的特征温度，针对常壁温条件的经验关联式，如常壁温条件的经验关联式，如 Eq.(10-77)，也可用于常热流的边界条件，也可用于常热流的边界条件 或，利用针对常热流的经验关联式：或，利用针对常热流的经验关联式：(10-79)to(10-87)现在学习的是第17页，共22页自然对流与强制对流并存的混合对流自然对流与强制对流并存的混合对流在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流考察浮升力与惯

7、性力的比值考察浮升力与惯性力的比值 一般认为，一般认为，时，自然对流的影响不能忽略，时，自然对流的影响不能忽略，而而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以时，强制对流的影响相对于自然对流可以 忽略不计。忽略不计。自然对流对总换热量的影响低于自然对流对总换热量的影响低于1010的作为纯强制对流；的作为纯强制对流；强制对流对总换热量的影响低于强制对流对总换热量的影响低于1010的作为纯自然对流；的作为纯自然对流；这两部分都不包括的中区域为混合对流。这两部分都不包括的中区域为混合对流。现在学习的是第18页，共22页 现在学习的是第19页，共22页上图为流动分区图。其中上图为流动分区图。其中 数根据管

8、内径数根据管内径及及 计算。定性温度为计算。定性温度为现在学习的是第20页，共22页混合对流的实验关联式这里不讨论。混合对流的实验关联式这里不讨论。推荐一个简单的估算方法：推荐一个简单的估算方法：式中：式中：为混合对流时的为混合对流时的 数，数，而而 、则为按给定条件分别用强制对流则为按给定条件分别用强制对流 及自然对流准则式计算的结果。及自然对流准则式计算的结果。两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。n n之值常取为之值常取为3 3。现在学习的是第21页，共22页自然对流换热要点相同温差条件下，自然对流换热系数一般小于强迫对流Gr数类比于Re数Ra数：同时考虑浮力和粘性力在自然对流中的作用数：同时考虑浮力和粘性力在自然对流中的作用常用的经验关联式的形式:定性温度：边界层的算术平均温度现在学习的是第22页，共22页