传热学第四章对流换热原理

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1、2021/7/231§4-1对流换热概述§4-2层流流动换热的微分方程组§4-3对流换热过程的相似理论§4-4边界层理论§4-5紊流流动换热第四章对流换热原理2021/7/2322021/7/2332021/7/234§4-1对流换热概述1对流换热过程①对流换热定义：流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。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实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却2021/7/235②对流换热的特点：(1)流体的宏观运动+微观的导热(2)流动与换热密不可分(3)对流换热的机理与通过紧靠换热面的

2、薄膜层的热传导有关③特征：以简单的对流换热过程为例，对对流换热过程的特征进行粗略的分析。2021/7/236图表示一个简单的对流换热过程。流体以来流速度u和来流温度t流过一个温度为tw的固体壁面。选取流体沿壁面流动的方向为x坐标、垂直壁面方向为y坐标。yt∞u∞twqwxWhenthefluidmoleculesmakecontactwithsolidsurface,whatdoyouexpecttohappen?2021/7/2371.theywillreboundoffthesolidsurface2.theywillbeabsorbedintothesolidsurface3

3、.theywilladheretothesolidsurface2021/7/238壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不滑移的状态（此论点对于极为稀薄的流体是不适用的）。yt∞u∞twqwx又由于粘性力的作用，使流体速度在垂直于壁面的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。2021/7/239同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。yt∞u∞twqwx2021/7/23102对流换热的分类对流换热：导热+热对流；壁面+流动

4、①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（Freeconvection）强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forcedconvection）2021/7/23112021/7/2312②流动状态层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminarflow）湍流：流体质点做复杂无规则的运动（Turbulentflow）紊流流动极为普遍自然现象：收获季节的麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬，以及袅袅炊烟都是由空气的紊流引起的。2021/7/23132021/7/2314③流体有无相变单相换热相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化④流体与固体壁面

5、的接触方式内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束⑤流体运动是否与时间相关非稳态对流换热：与时间有关稳态对流换热：与时间无关2021/7/2315管内沸腾对流换热有相变无相变强制对流内部流动圆管内强制对流换热其它形状管道的对流换热外部流动外掠单根圆管的对流换热外掠圆管管束的对流换热外掠平板的对流换热外掠其它截面柱体的换热射流冲击换热自然对流大空间自然对流有限空间自然对流混合对流沸腾换热凝结换热大空间沸腾管内凝结管外凝结2021/7/23163对流换热系数与对流换热微分方程——当流体与壁面温度相差1℃时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量.①对流换热系数(

6、表面传热系数)确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题.2021/7/2317②对流换热过程微分方程式壁面上的流体分子层由于受到固体壁面的吸附是处于不滑移的状态，其流速应为零，那么通过它的热流量只能依靠导热的方式传递。yt∞u∞twqwx由傅里叶定律通过壁面流体层传导的热流量最终是以对流换热的方式传递到流体中2021/7/2318或对流换热过程微分方程式h取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性均有关。速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：连续性方程、动量方程、能量方程2021/7/23194-2层流流动换热的微

7、分方程组为便于分析，只限于分析二维对流换热假设：a)流体为不可压缩的牛顿型流体，（即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体）b)所有物性参数（、cp、、）为常量2021/7/23204个未知量：速度u、v；温度t；压力p需要4个方程:连续性方程（1）;动量方程（2）;能量方程（1）1连续性方程流体的连续流动遵循质量守恒规律。从流场中(x,y)处取出边长为dx、dy的微元体，并设定x方向的流体流速为u，而y方向