传热学第56章对流换热.ppt
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1、第五章第五章 对流换热对流换热Convection Heat Transfer5-1 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对流换热流体流经固体时,流体与固体表面之间的热量传递现象流体流经固体时,流体与固体表面之间的热量传递现象 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)电风扇电风扇 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12/7/2022 -2-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述对流对流由于宏观运
2、动,冷、热流体各部分相互掺混所导致的热量传递过程由于宏观运动,冷、热流体各部分相互掺混所导致的热量传递过程(1)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;也必须有温差必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;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,紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层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公式牛顿冷却公式:12/7/2022 -3-第第5 5章章 对流
3、换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述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)当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量如何确定如何确定h及及增强换热增强换热的措施是对流换热的的措施是对流换热的核心问题。核心问题。12/7/2022 -4-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述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结果。影响对流换热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。影响对
4、流换热的因素就是的因素就是影响流动的因素影响流动的因素及及影响流体中热量传递的因素影响流体中热量传递的因素,归纳起来主要有以下,归纳起来主要有以下五个方面: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生的流动自然对流:流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动强制对流:由外力(如:泵、风机、水压头)作用所产生的流动强制对流:由外力(如:泵、风机、水压头)
5、作用所产生的流动 12/7/2022 -5-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述(2)流动状态流动状态层流: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(Laminar flow)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)(Turbulent flow)(3)流体有无相变流体有无相变单相换热单相换热(Single phase heat transfer):相变换热相变换热(Phase change):凝结:凝结(Condensation)、沸腾沸腾(Boiling)、升华升华(sublimation)、凝固凝固
6、(coagulation)、融化融化(thaw)12/7/2022 -6-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述(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、管束显热显热的变化的变化潜热潜热的变化的变化换热表面的换热表面的形状形状、大小大小、换热表面与流体运动、换热表面与流体运动方向的方向的相对位置相对位置、换热表面的、换热表面的状况状况(光滑光滑&粗糙粗糙)(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
7、力粘度:动力粘度:12/7/2022 -7-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述(单位体积流体能携带更多能量)(单位体积流体能携带更多能量)、hcr综合以上可见综合以上可见h是众多因素的函数:是众多因素的函数:对流换热分类树对流换热分类树12/7/2022 -8-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述12/7/2022 -9-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述研究对流换热的方法:研究对流换热的方法:解析法;解析法;实验法;实验法;比拟法;比拟法;数值法数值法7、对流换热的研究方法、对流换热的研究方法(1)分析法
8、)分析法(analytical method):对描述某一类对流换热的问题的偏微分方程及相应的定:对描述某一类对流换热的问题的偏微分方程及相应的定解条件进行解析求解,获得对应的速度场和温度场的方法。解条件进行解析求解,获得对应的速度场和温度场的方法。只能对个别简单的对流换热问题进行求解只能对个别简单的对流换热问题进行求解(2)实验法)实验法(experimental method):通过实验获得表面对流换热系数的方式。:通过实验获得表面对流换热系数的方式。目前工程设计的主要依据,在相似原理指导下进行试验目前工程设计的主要依据,在相似原理指导下进行试验(3)比拟法)比拟法(analogy met
9、hod):通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性,建立其:通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性,建立其表面对流换热系数与阻力系数间的相互关系。表面对流换热系数与阻力系数间的相互关系。在传热学发展的早期曾广泛用来获得湍流换热的计算式在传热学发展的早期曾广泛用来获得湍流换热的计算式(4)数值法)数值法(numerical method):计算传热学:计算传热学 在近在近30年内得到迅速发展,将日益显示出其重要作用年内得到迅速发展,将日益显示出其重要作用8、如何从解得温度场计算对流换热系数、如何从解得温度场计算对流换热系数根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:12/7/2022 -10-第第5
10、5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述当当粘粘性性流流体体在在壁壁面面上上流流动动时时,由由于于表表面面粗粗糙糙和和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渐降低,形成逐渐降低,形成流动边界层。流动边界层。在这一极薄的贴壁流体层中,热量只在这一极薄的贴壁流体层中,热量只能以能以导热方式传递导热方式传递在贴壁处流速滞止,处于无滑移状态在贴壁处流速滞止,处于无滑移状态(即:(即:y=0,u=0),形成一极薄的不),形成一极薄的不运动的运动的贴壁流体层。贴壁流体层。根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:根据牛顿冷却公
11、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:对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式12/7/2022 -11-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述h 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、表面粗糙度等小及其分布、表面粗糙度等 温度场取决于流场温度场取决于流场质量守恒方程、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
12、方程对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式:12/7/2022 -12-第第5 5章章 对流换热对流换热5-1 对流换热概述对流换热概述第一类边界条件:壁面温度已知,需求贴壁流体温度梯度第一类边界条件:壁面温度已知,需求贴壁流体温度梯度第二类边界条件:壁面热流密度第二类边界条件:壁面热流密度 已知,需求得壁面温度已知,需求得壁面温度第三类边界条件:第三类边界条件:h是已知的。这里是已知的。这里h是待求的,是待求的,是流体的是流体的。第一类、第二类边界条件第一类、第二类边界条件 流体内温度分布流体内温度分布5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述4个未知量:个未知量:速度速度
13、u、v;温度;温度 t;压力;压力 p需要需要4个方程:个方程: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)a)流体为连续性介质流体为连续性介质b)流体为不可压缩的牛顿流体流体为不可压缩的牛顿流体c)所有物性参数(所有物性参数(、c、)为常量)为常量d)忽略粘性力作功(即忽略粘性耗散产生的耗散热)忽略粘性力作功(即忽略粘性耗散产生的耗散热)假设:假设:12/7/2022 -13-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述对于牛顿流体:对于牛顿流体:1、概述、概述要求解对流换热需得到速度场和温度场要求解对流换热需得到速度
14、场和温度场(1)质量守恒方程质量守恒方程(连续性方程连续性方程)12/7/2022 -14-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述质量守恒方程质量守恒方程(mass conservation equation)又称为连续性方程又称为连续性方程(continuity equation),反映的是,反映的是物质不生不灭物质不生不灭这一最自然的物理定律。它用以描述流体的密度这一最自然的物理定律。它用以描述流体的密度的变化规的变化规律。它不需要补充其它任何关系式,也就是说,质量守恒方程是物质不生不灭的最律。它不需要补充其它任何关系式,也就是说,质量守恒方程
15、是物质不生不灭的最直观体现。直观体现。(2)动量守恒方程动量守恒方程(动量方程动量方程)动量守恒方程动量守恒方程(momentum conservation equation)又简称为动量方程又简称为动量方程(momentum equation),反映的是牛顿,反映的是牛顿(Newton)第二定律,即物体在力的作用下作加速运动。第二定律,即物体在力的作用下作加速运动。具体来说,物体所受的合力等于其质量与加速度的积(具体来说,物体所受的合力等于其质量与加速度的积(F=ma)。也可以理解为流。也可以理解为流体微团所受的力等于其动量变化率。因此,只要能求出合力,便可以得到动量守恒体微团所受的力等于其
16、动量变化率。因此,只要能求出合力,便可以得到动量守恒方程。方程。(3)能量守恒方程能量守恒方程(能量方程能量方程)能量守恒方程能量守恒方程(energy conservation equation)又常简称为能量方程又常简称为能量方程(energy equation),它是热力学第一定律在流体力学中的应用。能量守恒属于经典的热力学定律。它是热力学第一定律在流体力学中的应用。能量守恒属于经典的热力学定律。12/7/2022 -15-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述2、质量守恒方程、质量守恒方程(连续性方程连续性方程)Lagrange法(系统微元
17、):法(系统微元):物物质质不生不不生不灭灭12/7/2022 -16-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述Euler法(控制体微元):法(控制体微元):(1)x、y、z方向流入的净流量:方向流入的净流量:(2)单位时间内质量的增量:单位时间内质量的增量:(3)依据质量守恒得到:依据质量守恒得到:12/7/2022 -17-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述连续性方程的表达式:连续性方程的表达式:(1)矢量形式:矢量形式:或或(2)直角坐标系下的表达式:直角坐标系下的表达式:二维情况:二维情况:(
18、4)不可压缩流:不可压缩流:(3)稳态:稳态:二维情况:二维情况:二维情况:二维情况:3、动量守恒方程、动量守恒方程(动量方程动量方程)12/7/2022 -18-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述Lagrange法(系统微元):法(系统微元):Newton第二定律第二定律(F=ma)连续性方程连续性方程12/7/2022 -19-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述Euler法(控制体微元):法(控制体微元):控制体微元中动控制体微元中动量的变化率量的变化率=通过控制体微元面流入控通过控制体微元
19、面流入控制体内的净动量制体内的净动量+外界作用在该控制体微元外界作用在该控制体微元面上的各种力之和面上的各种力之和因为:因为:所以:所以:12/7/2022 -20-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述直角坐标系下表面力的表示:直角坐标系下表面力的表示:12/7/2022 -21-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述12/7/2022 -22-第第5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述对于常粘性系数的不可压缩流:对于常粘性系数的不可压缩流:则则,同理同理,12/
20、7/2022 -23-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述动量方程的表达式:动量方程的表达式:或或或或(1)矢量形式:矢量形式:(2)常粘性系数不可压缩流:常粘性系数不可压缩流:12/7/2022 -24-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述或或常粘性系数、不可压缩流、直角坐标系下动量方程的表达式:常粘性系数、不可压缩流、直角坐标系下动量方程的表达式:12/7/2022 -25-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述二维情况:二维情况:或或常粘性系数、不
21、可压缩流、直角坐标系下动量方程的表达式:常粘性系数、不可压缩流、直角坐标系下动量方程的表达式:4、能量守恒方程、能量守恒方程(能量方程能量方程)12/7/2022 -26-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述Euler法(控制体微元):法(控制体微元):微元体中能量的增加率微元体中能量的增加率=力对该微元体所做的功力对该微元体所做的功+进入微元体的净热流量进入微元体的净热流量由由Gauss公式,有公式,有通常把辐射项合并到源项中,得到微分形式的能量方程:通常把辐射项合并到源项中,得到微分形式的能量方程:或或4、能量守恒方程、能量守恒方程(能量方程
22、能量方程)12/7/2022 -27-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述通常把辐射项合并到源项中,得到微分形式的能量方程:通常把辐射项合并到源项中,得到微分形式的能量方程:方程两侧点乘以方程两侧点乘以V12/7/2022 -28-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述不可压不可压无源无源忽略粘性力作功忽略粘性力作功常物性常物性和和t t都是流体的都是流体的书中的推导过程书中的推导过程净的导热量净的导热量+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
23、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=0、=0 Q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 W012/7/2022 -29-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述Q导热导热+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
24、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:12/7/2022 -30-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述能量守恒方程能量守恒方程12/7/2022 -31-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述(1)对于常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体对流传热的完整微分方程组对于常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体对流传热的完整微分方程组12/7/2022 -32-第第5 5章章 对流换热对流换热5-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述4
25、个方程,个方程,4个未知量个未知量(u、v、p、t)可求得速度场可求得速度场(u,v)和温度场和温度场(t)以及压力场以及压力场(p),既既适用于层流,也适用于紊流(瞬时值)。适用于层流,也适用于紊流(瞬时值)。前面前面4个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却公式求取对流换热系数:个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却公式求取对流换热系数:5、对流换热问题的完整数学描述、对流换热问题的完整数学描述主要是为求取主要是为求取温度温度分布分布和和速度分布速度分布多个因变量多个因变量因变量间耦合因变量间耦合对流换热问题的完整数学描述:对流换热问题的完整数学描述:控制方程控制方程 +定解条件定解条件 (
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