传热学基础(第二版)第六章教学课件对流换热概要.ppt

第六章 对流换热 Convection heat transfer 6－1 对流换热及牛顿公式 6－2 放热系数及影响因素 6－3 相似理论概述 6－4 某些对流换热情况下的准则方程式 6－5 量纲分析法 6—2 换热系数及影响因素 在牛顿公式中引进了换热系数这个概念，它对分析和讨论传热以及拟订增强或削弱传热措施等方面将有很大意义。但牛顿公式实质上只是换热系数h的定义式，它丝毫没有对对流换热提供出任何本质性的简化，只不过把对流换热过程的一切复杂因素和计算上的困难都转移到换热系数上去了，因此影响对流换热的因素也都影响h 。因为对流换热与边界层密切相关，因而影响边界层的各种因素也必然影响换热系数。因此换热系数h是流体速度u，温度，tf，物性量λ 、 cp 、 ρ、ν ……及壁面温度tw、相关尺寸l1、l2……等的函数。 则h =f(u, tw , tf ,λ , cp,ρ,ν, l1, l2 …)。 三、 壁面的几何尺寸、形状和位置 在对流换热时，流体沿着壁面流过，所以壁面的几何尺寸和位置对流体的流动有很大影 响，从而也就影响对流换热。例如在自然对流换热时，流体受热上升，所以若热表面朝下，就会抑制自然对流换热，流体换热系数h就要减小。因而，暖气片一般都垂直于地面放置，其筋片顺着气流方向。冲天炉密筋炉胆内的筋也是顺着气流方向设置的，这样既可增强壁面与空气之间的热交换，又不致使阻力显著增加。 一、相似现象 同类现象 自然界中各事物是在不断运动和变化的，它们变化过程的物理本质也可能有所不同，其中物理本质相同的物理现象群，称为同类现象。 同类现象不仅现象的性质相同，且还能用同样形式和同样内容的方程式来描述。 如不同的流体在不同管径的管道(不同边界条件)中流动就属同类现象。 二、相似准则 若两个同类现象相似，则这两现象几何相似、时间相似，且物理量相似。同样，两对流换热现象相似，则它们必定是几何相似、时间相似及物理量相似（场相似）。由于对流换热现象是在流体运动时发生在流体与壁面之间的热量传递现象，它既涉及流体的运动，又涉及热交换，因此对流换热时物理量相似，既包括了流体运动相似，又要求热相似。 努塞尔特准则Nu中包含了换热系数，和流体导热系数，它是一个表征换热强度和边界层中温度场之间关系的准则。 Nu数大小反映出同一种流体在不同情况下的对流换热的强弱程度。 63/94 贝克莱准则Pe反映了流动流体的温度场分布。傅立叶准则Fo反映了不稳定状况下的温度场变化，因此在稳定状况下，Fo就不出现。 64/94 所以若两对流换热热相似，则它们的傅立叶准则Fo、贝克莱准则Pe及努西尔特准则Nu都各自相等。 65/94 三、相似基本定理 1、相似正定理 彼此相似的现象，必定具有相同的相似准则，即：此相似的现象同名准则各自相等。相似正定理揭示了相似现象所遵循的规律；它是同类现象相似的必要条件。在本节所讨论的动力相似及热相似中所找得的各相似准则，就遵循着“相似现象同名准则相等”这条规律。 66/94 2、相似逆定理 同类现象相似是否一定要求所有同名准则都各自相等呢?相似逆定理回答了这个问题，它指出： “凡单值条件相似，并且由单值条件中的物理量所组成的决定性准则的数值相等的现象都彼此相似。” 若在组成准则的物理量中包含有被决定量，则该准则称为非决定性准则。这时在单值性条件相似的前提下，决定性准则确定了整个现象；任一非决定性准则仅是决定性准则的单值函数。 67/94 什么是非决定性准则？ 组成准则方程式的那些包含有被确定量的准则称为非决定性准则。 68/94 对于这两个相似三角形则有： 式中 代表一个三角形各边的长度。 代表与其相似的另一个三角形各对应边的长度，Cl为一无因次的比例常数，称为相似三角形的相似常数。 几何相似的概念也可推广到物理现象上去。 l1 l3 l2 l2 l3 l1 31/94 32/94 同类现象中的不同现象之间，在空间上相对应的各点，在时间上相对应的瞬间，表征现象特性的同类物理量各自成常数的比例，则此两现象相似。 相似现象 由此可知，同类现象并不一定相似。 正如在几何学上并不是所有三角形都相似，而是指其中：“各对应边互成比例”的两个三角形才相似。 33/94 1．几何相似 相似现象定义中的“在空间上相对应的各点”指的就是几何相似。也就是说，相似现象总是在几何形状相似的体系中才能发生。这时若从几何形状来看