热工基础第十章对流换热

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1、第十章对流换热对流换热是流体与所流经的固体表面间的热量传递现象。本章将重点阐述对流换热的基本概念、影响因素、数学描述方法及边界层理论和相似理论，为求解对流换热问题奠定必要的理论基础，并讨论一些工业和日常生活中常见的单相流体强迫对流换热、自然对流换热的特点和计算方法。对有相变的凝结和沸腾换热的特点和影响因素以及热管的工作原理，本章只作简要介绍。110-1概述1.牛顿冷却公式=Ah(tw－tf)q=h(tw－tf)h—整个固体表面的平均表面传热系数;tw—固体表面的平均温度;tf—流体温度，对于外部绕流，tf取远离壁面的流体主流温度；对于内部

2、流动，tf取流体的平均温度。2对等壁温，对照式=Ah(tw－tf)可得如何确定表面传热系数的大小是对流换热计算的核心问题，也是本章讨论的主要内容。对于局部对流换热，32.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，因此，凡是影响流体导热和对流的因素都将对对流换热产生影响。主要有以下五个方面：(1)流动的起因：影响流体的速度分布与温度分布。强迫对流换热自然对流换热一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。4(2)流动的状态层流湍流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方

3、向流动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅速混合，因此湍流对流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大。(3)流体有无相变沸腾换热凝结换热5(4)流体的物理性质1）热导率，W/(mK)，愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈；2）密度，kg/m33）比热容c，J/(kgK)。c反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/，m2/s。流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；6

4、5）体胀系数V，K－1。对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V=1/T。定性温度体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的取法取决于对流换热的类型。V7(5)换热表面的几何因素换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温度分布，对对流换热产生影响。影响对流换热的因素很多，表面传热系数是很多变量的函数，

5、特征长度（定型尺寸）几何因素83.对流换热的主要研究方法分析法数值法试验法比拟法理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。910-2对流换热的数学描述1.对流换热微分方程组及其单值性条件（1）对流换热微分方程假设：(a)流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与换热壁面的特征长度l相比非常小，一般克努森数时，流体可近似为连续性介质。10(b)流体的物性参数为常数，不随温度变化。(c)流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声速的流体可以近似为不可压缩性流体。(d)流体为牛顿流体，即切向应力与

6、应变之间的关系为线性，遵循牛顿公式：(e)流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。(f)二维对流换热。紧靠壁面处流体静止，热量传递只能靠导热，流体导热系数11按照牛顿冷却公式如果热流密度、表面传热系数、温度梯度及温差都取整个壁面的平均值，则有上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模型应该是包括描写速度场和温度场的微分方程。qx121）连续性微分方程（质量守恒）dxxdyy0微元体2）动量微分方程（动量守恒）x方向:y方向:惯性力粘性力体积力纳维埃(N.Navier)-斯托克

7、斯(G.G.Stokes)方程压力差133）能量微分方程（能量守恒）dxxdyy0单位时间由导热进入微元体的净热量和由对流进入微元体的净热量之和等于微元体热力学能的增加，常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体对流换热的能量微分方程式。若u=v=0导热微分方程式导热微分方程式实质上就是内部无宏观运动物体的能量微分方程式。14常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体二维对流换热微分方程组：4个微分方程含有4个未知量(u、v、p、t)，方程组封闭。原则上，方程组对于满足上述假定条件的对流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。15（2）对流换热的单值性条

8、件1)几何条件说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流体之间的相对位置，壁面的粗糙度等。2)物理条件说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化规律、有无内热源以及内热源的分布规