《《对流换热概述》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《对流换热概述》PPT课件.ppt（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、对流换热:流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换.,对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式,即,或对于面积为A的接触面,其中t 为换热面积A上的平均温差.约定q 及 总是取正值,因此t及tm也要求取正值.,5-1 对流换热概述,一.对流换热的分类,1.按动力分,强制对流(forced convection):由于泵,风机,或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热.,自然对流(natural convection):由于流体的密度差等流体本身的因素产生的流体流动换热.,混合对流(mixed convection):自然对流和强制流动换热并存.,凝结换热:(condensation heat tra
2、nsfer)物质由气态变为液态时发生的换热.,熔化换热(melting heat transfer)凝固换热(solidification heat transfer)升华换热(sublimation heat transfer)凝华换热（sublimation heat transfer）,相变换热:传热过程中有相变发生.,物质有三态,固态,液态,气态，称三相.,相变换热又分为:,沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生的换热.,2.按有无相变分,层流流动换热(laminar heat transfer)紊流流动换热(turbulent heat tr
3、ansfer),4.按几何形状,管内(槽道内)流动(flow in ducts)外部绕流(around vertical plant),3.按流动形式分,对流换热的分类表,无滑移边界条件,令上两式相等则有,则,二、对流传热的基本公式(h 的确定方式),一、假设条件 为简化分析,对于常见影响对流换热问题的主要因素,做如下假设:(1)流动是二维的;(2)流体为不可压缩的牛顿流体;(3)流体物性为常数,无内热源;(4)流速不高,忽略粘性耗散(摩擦损失);(5)流体为连续性介质,5-2 对流换热问题的数学描述,二、能量方程的推导.,利用热力学第一定律有 导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增在x方向
4、上导入的净热量有：,在y方向上导入的净热量：,在x方向上流入的净热量,略去高次项后得,代入热力学第一定理得,单位时间内的微元控制体内的焓增,同理得Y方向上的净热量,1.连续性方程(continuity equation),2.动量守恒方程(momentum equation),惯性力(inertial force),体积力(body force),压力梯度(pressure gradient),粘性力(viscous force),3.能量守恒方程（energy equation),能量变化,对流项,导热项,三.对流换热微分方程组.,未知量：u,v,p,t,h方程：五个方程组是封闭的,可求解
5、强烈非线性,4.换热微分方程(无滑移边界条件),1.初始条件 2.边界条件:第一类边界条件,规定边界上流体的温度分布.第二类边界条件,给定边界上加热或冷却流体的 热流密度.为何不用第三类边界条件？,四.定解条件.,解析解：解微分方程组数值解：:计算机进行数值计算实验方法（理论分析法与实验相结合）比拟法：动量传递与热量传递相似性,五、求解方法,流速：V h V=0 无对流物性表征物质物理特性的物理量密度（density)，粘性（viscosity)，热导率(thermal conductivity)，比热（specific heat capacity)等，其他条件相同时，不同的流体换热量不同，就
6、是因为物性不同流体及壁面温度 定性温度（reference temperature),六、影响对流换热的因素,流动状态:层流，紊流;,壁面形状,位置 形状(平板,圆管)位置(横放,竖放,管内,管外),综上所述,Newton cooling law 只是一种处理方法,既将许多因素都加在h上。对流换热的内容实际都是讨论 h 如何确定.,对于管内流动,一.边界层的概念,1.流动(速度)边界层：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度(boundary layer thickness):达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离,5-3 边界层分析及边界层微分方程组,边界层的特点(1)有层流(
7、laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.分界点 Rec=3X1053X106,一般 可取Rec=5X105在紊流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2)=(x)x(x)(3)(x)x(4)流场分为:主流区(undisturbed flow regime)(potential)边界层区(boundary regime),假如流体的温度为t(ttw),将有热量传递。定义:在壁面附近温度发生显著变化的薄层.热边界层的厚度:过余温度=t-tw=0.99(t-tw)至壁面的距离t边界层的特点:与流动边界层相同,2.热边界层(温度边界层thermal boundary
8、 layer),在定义边界层厚度时,我们用u和t,在忽略体积力时,有,能量方程,如果=a，方程完全一样.因此他们的解也必定相同,也就是说其速度分布与温度分布完全相同.故a 就有重要意义.,普朗特数(Prandtl number),动量方程,3.流动边界层与热边界层比较,运动粘度,粘性扩散的能力,热扩散率,热扩散的能力,粘性扩散=热扩散,常见流体：Pr=0.64000空气：Pr=0.61液态金属较小：Pr数量级,粘性扩散热扩散,粘性扩散热扩散,二、数量级分析方法及边界层换热微分方程组,在热边界层内，假设牛顿流体具有常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力.已知：u，t，的量级为0(1)，
9、t,v 的量级为0(）,以此六个量为分析基础。,故,，数量级定级为1,，数量级定级为0,导数的数量级由因变量与自变量的数量级确定，所以,的数量级为1，,这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致）,x方向的动量扩散可以忽略,最后，我们得到：,x方向的导热可以忽略,其中dp/dx是已知量，可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定（忽略重力或平面流动）,边界条件,上述方程的求解结果（层流）及局部换热系数为（1908,Blasius,1921,Pohlhausen),上式改写为,无量纲量 称为努塞尔数，记为Nu,于是，外掠等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为,上式称为特征数方程，习惯上
10、称为准则方程或关联式。,5-4 准则数,雷诺数：,毕渥数：,贝克莱数：,普朗特数：,努塞尔数：,格拉晓夫数：,自然对流（natural or free convection）：由于流体自身的温度 场不均匀性引起的流动，密度是运动的动力。实例：暖器散热，电子元件散热。特点:速度分布两端小，中间大，温度分布与强制对流相 似。一般情况下，不均匀稳度场只发生在靠近 换热面的薄层内，形成自然对流边界层。与平板的类似，也有层流湍流之分,5-5 自然对流换热及其实验关联式,分类,所研究对象周围无其它物体影响换热。只要边界层不受干扰即为大空间。,有限空间自然对流：不满足大空间条件,大空间自然对流,其中,体膨胀
11、系数(volume coefficient of expansion),对于理想气体 pv=RT,定性温度:,一、大空间自然对流换热的实验关联式,例5-8 室温为10的大房间中有一个直径为10cm的烟囱，其竖直部分高为1.5m，水平部分长15m。求烟囱的平均壁温为 110 时，对流散热量。,解：定性温度,由附录(p187)查得，60 时空气的物性,（1）烟囱竖直部分的散热,由前表知,（2）烟筒水平部分的散热,所以,夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度为特征长度的Gr数。,计算采用书上推荐的实验关联式,二、有限空间自然对流换热的实验关联式,例5-9 一个竖封闭夹层，两壁由边长为0.5m的方形壁
12、组成，两壁间距为15mm，温度分别为100，40。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。,解：定性温度为两壁的平均温度,从附录查得空气物性为,对于空气：,按式5-42计算，即,所以,自然对流换热量按牛顿冷却公式计算,一、影响强制对流换热的因素,1.层流与紊流 Re104 旺盛紊流,5-6 内部流动强制对流换热实验关联式,2.入口段的影响,流体进入管中，便形成边界层，其厚度从o点处逐渐增大，直至汇合，汇合点将管流分为两段，即入口段和充分发展段。,充分发展段：沿管长截面上的速度分布不变的管段,也叫定性段。,Laminar flow 随着流动方向而增加,Turbulent flow 开始同层流，进入紊流后,非定性段：截面上的速度分布随管长而变化的。在入口段，局部对流换热系数随流动方向而变化。如上图所示。,其中,流体被加热流体被冷却,特征尺寸,圆管内径,定性温度,适用范围,充分发展段,气体水油,（Dittus-Boelter公式）,二、圆管内紊流换热实验关联式,1.中温以下温差的管内紊流强制对流换热,例 5-5 从,加热到,内径d=20mm，水在,管内的流速为u=2m/s，求换热系数。,已知：,求：h,解（1）管内强制对流用圆管内强制对流公式。（2）定性温度，,查取物性，附录7得：,（3）计算准则，选定公式。,（4）代入公式计算，考虑修正,因为是加热流体n=0.4,
