4-第四章 对流传热原理-修改.ppt

固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层（热边界层） 当壁面与流体间有温差时，在壁面附近的小薄层内，流体温度梯度很大，而在这薄层外温度梯度几乎为零 ? t Tw 定义：假定热边界层内任一点处的温度为T，则此点的温度与壁面温度之差为 ，主流温度与壁面温度之差为 ，当无量纲温度 此点距壁面的垂直距离为热边界层? t 热边界层厚度： 温度场可以划分为两个区：热边界层区与主流区 主流区：温度变化率可视为零 热边界层区：流体的温度梯度很大 Tw 速度边界层的厚度是由流体法向的速度分布决定的，它反映了流体动量扩散能力的大小，速度边界层越厚，即表面对流体速度的影响区域越远，流体动量扩散能力越强。 3. ? 与 ?t 的关系： ?与?t 不一定相等！ 运动粘度 的大小是表征流体动量扩散能力的物理量， 越大， 越厚。 温度边界层的厚度是由流体法向的温度分布决定，反映了流体热量扩散能力的大小，温度边界层越厚，表面对流体温度的影响区域越远，热量扩散能力越强。 热扩散率a 是表征流体热量扩散能力的物理量，a 越大， 越厚。 分别反映流体分子和流体微团的动量和热量扩散的深度 流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布 普朗特数： 粘性油 空气 液态金属 6.3 对流换热微分方程组 边界层理论的提出对描述对流换热数学模型的简化和求解起了决定性的指导作用。有了边界层的概念，解析求解对流换热问题只需对边界层中的流体进行求解。 对流换热问题 的数学描述 连续性方程 动量微分方程 能量微分方程式 对流传热微分方程式 b) 流体为不可压缩的牛顿型流体 　　分析三维对流换热，作了以下假设： c) 所有物性参数（?、cp、?、 ）为常量 a) 流体为连续性介质 未知量： 速度 u、v、w 温度 t 对流换热系数 h 6.3.1 能量微分方程 根据能量守恒定律，进入微元体的对流换热量与导热量之和为微元体中流体的焓增，从而可以得出能量微分方程，经简化可得： （6-3） 简化表达式 对于稳态问题 （6-4） 惯性力 浮升力 粘滞力 (6-5) 动量守恒定律（牛二）:作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率。 6.3.2 动量微分方程 x方向 x方向 (6-6) y方向 6.3.3 连续性方程 流体的连续流动遵循质量守恒规律： 式中： u、v、w为流体速度在x、y、z 方向上的分量； （6-7） 在对流换热理论建立的过程中，需要构建 h~T 的关系式 壁面和贴壁流体间的热量传递 热量自壁面传入流体后的传递 对流换热系数h ~ 流体温度场 对流换热过程热量传递的机理 6.3.4 换热微分方程式 联立可得： ——对流换热过程微分方程式 根据傅里叶定律： 根据牛顿冷却公式： （6-1） （1-6） （6-2） h取决于流体热导率、温度差、贴壁流体的温度梯度 温度梯度或者温度场取决于流体热物性、流动状况、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。 上述四式便构成了边界层对流换热的数学描述，加入定解条件后，最终可通过积分解得整个表面的平均对流换热系数 h 。 College of Energy Power Engineering 传 热 学Heat Transfer 主讲教师:徐志祥 本讲要点 掌握对流换热的机理 对流、对流换热 掌握对流换热的主要影响因素 流动起因、流动状态、物性、几何形状 掌握对流换热微分方程的一般表达式 理解对流换热系数是过程量 了解对流换热微分方程组的推导过程 尤其是能量方程 5.1.1 定义 5.1 对流传热概述 对流换热是流体与固体壁之间有相对运动、且存在温度差时所发生的热量传递过程。 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热，它已不是基本传热方式。 热对流 对流换热 对流传热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 热对流—由于流体的宏观运动，从而流体的各部分之间 发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。 从机理上讲，对流换热除了紧贴壁面的流体依靠微观粒子运动的导热之外，离开壁面的流体依靠宏观运动储存和输运热量。 对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过壁面的流体沿壁面法线方向导热而实现的(为什么?) 对流换