传热学基础(第二版)第六章教学课件对流换热选编.ppt

第六章 对流换热 Convection heat transfer;6-1 对流换热概述;对流换热的特点： (1) 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;由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态。;5/94; 根据1904年普郎特提出的边界理论，流体沿着壁面的流动可以分为两个区域：一个是紧靠壁面的区域，称为边界层。边界层内流体的内摩擦力（粘性力）不容忽视；另一个区域是边界层以外的主流区域，在主流区域，内摩擦力可以忽略不计，因此，对边界层以外的流体流动，可以应用理想流体伯努利方程。 根据流体力学的内摩擦力定律，粘性流体流过固体表面时，单位面积上的内摩擦力，可由下式计算 ; 通常当动力粘性系数μ较小；垂直于壁面方向的 速度梯度 较大时，才能产生较明显的内摩擦力。若用精密仪器测量壁面法线方向上的速度场，则可得到如图所示的速度分布曲线。 ; 从图中可以看出：流速u沿着Y轴递增，由零而逐渐接近u? ，(指边界层外的主流流速)，流速剧烈变化的这个薄层就称为边界层(也称为速度边界层或流动边界层)。其厚度以δ表示。在边界层范围内，存在着较明显的内摩擦力。显然，在y≥ δ的区域，流体流速均等于u? 。准确地确定流速达到u?的位置是困难的，通常把 处的离壁面垂直距离定为边界层厚度。 ; 当流体流过平板时，边界层的形成有一个过程。流体以u? ，流入平板前缘时，沿着 x 方向，边界层厚度逐渐增加，在达到 xc 距离以前，边界层中流体的流动为层流，故称为层流边界层。 ; 在xc以后，随着边界层厚度δ的增加，边界层中流动将转变为紊流，称为紊流边界层。由层流边界层转变到紊流边界层的距离xc称为临界距离。xc的数值由临界雷诺数 Rec确定，对于平板，取决于壁面的粗糙度及主流的扰动程度，一般取Rec =5×105。 实际上在 xc以后，还存在一个由层流边界层过渡到紊流边界层的过渡区。即使在紊流边界层中，紧贴着壁面的极薄层流体，由于内摩擦力大，流动仍维持层流状态，这层极薄的流体层称为层流底层，—它???厚度以 δc表示，区域内存在着极大的速度梯度,δc随着 u的增加而减小。 ;综合上述可知边界层厚度很薄，在边界层内沿壁面法线方向，流体的速度梯度最大，只有在边界层内．才能观察到流体的粘性影响。 对流边界层的概念，推广应用于对流换热过程，可得到热边界层的概念。当流体流经与流体温度不同的壁面时，流体与壁面之间就会发生热量传递现象。 图3·3 示出了在放热过程中，流体沿壁面法线方向上温度变化情况。纵座标Y表示离壁距离，横座标t，表示流体温度。;当Y=0时，流体温度等于壁温，随着离壁距离的增加，流体温度降低(当固体壁加热流体时)或升高(当流体加热固体壁时) ，直到等于主流温度，所以紧贴着壁面的这一流体，它的温度由壁面温度变化到主流温度，这一流体层就称为热边界层，也称为温度边界层，其厚度以 δt表示。; 在流动边界内，速度梯度具有显著的变化，而在热边界层内，温度梯度 也有显著的变化。在热边界层以外，温度梯度可以视为零，流体的温度就为主流温度tf，所以边界层内温度梯度较大，故热边界层是对流换热的主要区域。 应当指出热边界层厚度δt不一定等于流动边界层厚度δ，它们之间的相互关系，主要取决于流体的性质。 ;边界层的状况与对流换热是密切相关的。在层流边界层中，沿壁面法线方向没有对流，在这方向上的热量传递，仅依靠流体的导热，因而此时对流换热较弱。在紊流边界层中，层流底层内的热量传递方式仍是导热，但在层流底层以外存在着对流，因而对流换热就较强，所以对流换热实际上是由流体的导热和对流所组成的传热。同一种流体在相同温差下，流过同一壁面时，层流底层的厚度愈薄，对流换热强度就愈强。 ; 根据流体运动产生的原因，对流换热可分为自然对流换热和受迫对流换热两种。自然对流换热是由于壁面对流体局部加热(或冷却)所引起的，受热的那部份流体因密度减小而上升，附近密度较大的冷流体就流过来补充，这样就发生了热量传递现象。如暖气片在屋内散热及冲天炉炉壳散热等，都是自然对流换热的实例。 ;若流体掠过壁面的运动是由外界机械力 (例如水泵或风机)的作用而发生，则流体与壁面间的对流换热称为受迫对流换热。在冲天炉密筋炉胆内，空气由鼓风机所驱动，因而密筋炉胆内的、空气受热过程就是受迫对流换热的实例。但是自然对流换热和受迫对流换热有时却不能截然分开，在受迫对流换热中也包含有自然对流换热的现象。只是在此情况下，自然对流换热强度很弱广可予以忽视。; 流体与壁面之间的对流换热与流体的物理特性、