传热学-第5章节对流换热的理论基础

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1、传热学第5章对流换热的理论基础内容要求:对流换热概说；对流传热问题的数学描述；边界层对流传热问题的数学描写；流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论。第5章对流传热的理论基础2.对流换热（Convectionheattransfer）:流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用的热量传递现象。1.对流（Convection）：是指流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体相互掺混所引起的热量传递现象。平壁表面的传热机理5.1对流传热概说5.1.1对流传热的基本概念和计算公式3.牛顿冷却公式（Newton’slawofcooling）式中：tw—固体表面的平均温度。tf—流体温度。外部绕流（外掠

2、平板，圆管）tf为流体的主流温度。内部流动（各种形状槽道内的流动）tf为流体的平均温度。d管内流动tfh—固体表面的平均表面换热系数。4.局部表面传热系数与平均表面传热系数局部对流换热时局部热流密度：整个换热物体表面的总对流换热量：平均表面传热系数：tw-tf=Const对流换热的核心问题归纳起来，主要有以下五方面：流动的成因（自然对流,强制对流）流动的流动状态（层流,紊流）换热时物体有无相变（沸腾,凝结）流体的物性（导热系数,粘度,密度,比热容等）换热表面的几何因素对流换热是流体的导热和热对流两种基本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。5.1.2对

3、流传热的影响因素1.流动的起因——强迫对流，自然对流。流动的起因不同，流体内的速度分布，温度分布不同，对流换热的规律也不同。强迫对流空气h：自然对流自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作用下产生的流动。2.流动的流动状态——层流流动，湍流流动。层流(Laminarflow)：流速缓慢；沿轴线或平行于壁面作规则分层流动；热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）湍流(Turbulentflow)：流体内部存在强烈脉动和旋涡运动；各部分流体之间迅速混合；热量传递：主要靠对流。湍流边界层层流底层：导热湍流核心区：对流导热对流3.流体有无相变Fluidmot

4、ioninducedbyvapourbubblesgeneratedatthebottomofapanofboilingwaterCondensationofwatervapourontheoutersurfaceofacoldwaterpipe有相变——沸腾换热，凝结换热。流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同。4.流体的热物理性质对对流换热的强弱有非常大的影响。密度和比热容：体积热容：单位体积流体热容量的大小。导热系数λ：影响流体内部的热量传递过程和温度分布；λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。常温下：空气水常温下：空气水水的换热能力远高于空气水的冷却能力强于空气粘度μ：影响速

5、度分布与流态（层流，湍流）；η越大，分子间约束越强，相同流速下不易发展成湍流状态。高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。对自然对流换热有很大影响；影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小。体积膨胀系数α：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，表面状态（光滑或粗糙）等。对对流换热有显著影响；影响流态，速度分布，温度分布。d管内流动特征长度总结影响对流换热的因素：对强迫对流换热：对自然对流换热：浮升力项包含的因子定性温度用来确定物性参数数值的温度。例如：流体的平均温度；流体与壁面温度的算术平均值等。特征长度代表几何因素对换热的影响。例如：管内换热以内径为特征长度；沿平板流

6、动以流动方向的尺寸为特征长度等。5.1.3对流传热的研究方法1.分析法：指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解。可得出精确解或近似解。适用简单问题。2.数值法：对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出预测。3.实验法；相似原理和量纲分析理论。4.比拟法：利用流体动量传递和热量传递的相似机理，建立表面传热系数和阻力系数之间的相互关系。5.1.4如何从解得的温度场计算表面传热系数——换热微分方程固体壁面处局部热流密度：又由牛顿冷却公式：局部表面传热系数：平均表面传热系数：流体的导热系数5.2对流传热问题的数学描述对流传热问题完整的数学描述

7、：假设二维对流换热；流体为不可压缩，牛顿流体；物性参数为常数，无内热源；忽略粘性耗散产生的耗散热。对流传热微分方程组定解条件+质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程1.连续性方程根据微元体的质量守恒导出。设速度分布：二维流动：5.2.1对流传热的微分方程组1823年,Navier(法)1845年,Stokes(英)根据微元体的动量守恒导出。2.动量微分方程（Navier-Stokes方程）惯性力体积力压力梯度粘性力x方向：