传热学第五章课件5-1-3(1).ppt

传热学,Heat Transfer,华北电力大学,第五章 对流换热,本章内容划分,一般知识,（,5-1,：分类、影响因素、研究方法等）,理论基础,（,5-2,数学描述、,5-3,边界层理论，,5-4,比拟理论）,理论求解,（,5-3,边界层的概念,5-4,边界层积分方程组求解）,实验的理论基础,（,5-5,，,5-6,相似原理及应用方法）（第四版的第,6,章）,传热学,Heat Transfer,实际对流换热问题的分析和计算,:,5-3,，,5-4,外掠平板的对流换热；,5-7,内部流动（管内）强制对流换热；,5-8,外部流动（管外）强制对流换热；,5-9,自然对流换热,（第,6,章 单相对流传热的实验关联式）,传热学,Heat Transfer,5-1,对流换热概述,一、对流换热的定义和机理,对流换热：流体流过固体壁面时所发生的热 量传递过程。,机理：既有热对流，也有导热，不是基本的热量传热方式。,静止,运动,t,w,t,f,传热学,Heat Transfer,二、影响对流换热的因素,流体种类,驱动力,几何因素,流体种类,热物理性质不同,外部动力；浮升力,形状、大小、相对位置和表面粗糙状况,导热系数、比热和密度,热对流,（流动）,导热,对,流,换,热,如：水、空气、油等,如：泵、重力或浮升力。,流体相态的变化,流动状态,层流、紊流,传热学,Heat Transfer,有无相变,流动原因,受热面布置,三、对流换热的分类,分类标准：,传热学,Heat Transfer,传热学,Heat Transfer,四、研究对流换热的方法,分析法,实验法,比拟法,数值法,采用数学分析求解的方法，有指导意义。,通过大量实验获得表面传热系数的计算公式，是目前的主要途径。,通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多，范围很小。,和导热问题数值思想一样，发展迅速，应用越来越多。,传热学,Heat Transfer,五、表面传热系数与温度场的关系,在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：,y,=0,u,=0,）,在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。,静止,运动,t,w,t,f,y,0,x,传热学,Heat Transfer,根据傅里叶定律：,由以上得：对流换热微分方程式,根据牛顿冷却公式：,它揭示了对流换热问题的本质,传热学,Heat Transfer,5-2,对流换热问题的数学描述,一、描述对流换热的方程组,温度场,特别是壁面附近的温度分布,温度场,受到流场的影响,流场,温度场,能量方程,能量守恒定律,连续性方程,动量方程,动量守恒定律,质量守恒定律,对流换热微分方程式,传热学,Heat Transfer,、二维、常物性、不可压流体对流换热问题的数学描述,5,个方程，,5,个未知量,理论上可解,传热学,Heat Transfer,温度场,能量方程,能量守恒定律,流场,连续性方程,动量方程,动量守恒定律,质量守恒定律,对流换热微分方程式,传热学,Heat Transfer,Q,导热,+,Q,对流,=,H,微元体的能量守恒：,传热学,Heat Transfer,导热,x,方向,y,方向,传热学,Heat Transfer,x,方向,y,方向,传热学,Heat Transfer,三、流体中的能量方程与纯导热微分方程 的区别,与纯导热相比增加了对流项,以下展开讨论,传热学,Heat Transfer,该式是二维流动微元体的能量方程式，由能量守恒和傅里叶定律推得，给出了温度与时间（,），,地点（,x,，,y,），,速度（,u,，,v,），,物性（,a,）,的关系。,t=(,，,x,，,y,，,u,，,v,，,a),若流体静止不动，该式变为,即二维非稳态导热微分方程，说明流体对流换热是导热和对流联合作用的结果。,如果流体有内热源，则在右端加入 即可,t,=(,，,x,，,y,，,u,，,v,，,a,),，而,x=f(,),，,y=f(,),方程的左边正好是,t,对,的全导数,因此，方程可写成,如果是流速为零，,xf(,),，,yf(,),则，同样说明对流换热是导热和对流的共同作用。,传热学,Heat Transfer,5-3,对流换热的边界层方程组,传热学,Heat Transfer,普朗特（,1875-1953,）：德国力学家，现代流体力学的创始人之一，被誉为“空气动力学之父”。,普朗特学派从,1904,年到,1921,年逐步将,N-S,方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论。,边界层理论被广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去，极大地促进了空气动力学的发展。,我国著名流体力学家、力学教育家陆士嘉曾从师于普朗特，钱学森在美国加州理工学院的导师冯,卡门也是普朗特的学生。,传热学,Heat Transfer,一、流动边界层,定义：当流体流过固体壁面时,由于流体粘性的作用,使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄层称为,流动边界层或速度边界层,。,2.,速度边界层厚度,d,的规定：速度等于,99%,主流速度。,传热学,Heat Transfer,如：,20,空气在平板上以,16m/s,的速度流动，在,1m,处边界层的厚度约为,5mm,。,3.,特点：边界层厚度,d,是比壁面尺度,l,小一个数量级以上的小量。,d,l,图,5-6,空气沿平板流动时边界层厚度变化的情况,速度,边界层厚度,传热学,Heat Transfer,4.,边界层内的流动状态：也有层流和湍流之分。,层流底层,湍流核心,对于外掠平板的流动，临界雷诺数,Re,c,一般取,传热学,Heat Transfer,5.,引入速度边界层的意义：流动区域可分为主流区和边界层区，主流区可看作理想流体的流动，而只在边界层区才需要考虑流体的粘性作用。,x,y,0,l,x,d,u,主流区,边界层区,传热学,Heat Transfer,二、温度边界层（热边界层）,定义：在对流换热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的薄层称为,温度边界层,或,热边界层,。,传热学,Heat Transfer,2.,温度边界层厚度,d,t,的规定：过余温度等于,99%,主流区流体的过余温度。,传热学,Heat Transfer,3.,特点：温度边界层厚度,d,t,也,是比壁面尺度,l,小一个数量级以上的小量。,d,t,1,t,Pr1,传热学,Heat Transfer,根据普朗特数的大小，一般流体可分为三类：,（,1,）高普朗特数流体，如一些油类的流体，在,10,2,10,3,的量级；,（,2,）中等普朗特数的流体，,0.710,之间，如,气体在,0.71.0,水为,0.910,；,（,3,）低普朗特数的流体,如液态金属等，在,0.01,的量级。,传热学,Heat Transfer,对于平板，临界雷诺数：,令：,五、外掠等温平板的层流流动下对流换热问,题的分析解,传热学,Heat Transfer,对于长度为,l,的平板，其平均的努塞尔数如何计算？,传热学,Heat Transfer,六、局部对流换热系数与边界层的关系,传热学,Heat Transfer,七、应用边界层概念应注意的问题,（,1,）上述边界层概念及分析是以沿平板的无界外部流动为例进行介绍的，内部流动的边界层情况将有很大的变化，后面会介绍；,（,2,）在平板前缘很短的一段距离内，边界层理论不适用；,（,3,）若出现边界层脱体，或发生回流情况，边界层的特性也将改变；,（,4,）对于高普朗特数的油类和低普朗特数的液态金属，边界层的分析也不适用。,传热学,Heat Transfer,5-3,对流换热的边界层方程组,一、流动和温度边界层的概念,二、边界层的特点,d,l,d,t,1,t,Pr1,四、引入边界层的意义,理论求解方面：,定性分析方面：,可以将求解区域缩小，描述问题的微分方程进一步简化。,可以根据壁面边界层的情况定性分析对流换热系数的相对大小。,传热学,Heat Transfer,5-4,边界层积分方程组的求解及比拟理论,一、边界层积分方程组,1.,基本思想,与边界层微分方程不一样，边界层积分方程不要求对边界层内每一个微元体都满足守恒定律，而只是对包括固体边界及边界层外边界在内的有限大小的控制容积满足动量守恒及能量守恒定律即可。,y,x,0,a,b,c,d,传热学,Heat Transfer,2.,主要求解结果,边界层中的速度分布：,无量纲温度分布：,离开前缘处的流动边界层厚度的无量纲表达式：,局部努塞尔数：,平均努赛尔数：,传热学,Heat Transfer,离开前缘处的流动边界层厚度的无量纲表达式：,局部努塞尔数：,局部摩擦阻力系数：,3.,与精确解的比较,局部摩擦阻力系数：,传热学,Heat Transfer,二、比拟理论求解湍流对流换热,上式说明表面传热系数与壁面摩擦系数之间存在一定的相互关系。,在外掠平板层流流动的对流换热过程中，利用上述精确求解的结果,可以得到,一般来说，壁面摩擦系数相对容易通过实验测得，这样，就可利用它们间的关系来计算表面传热系数。,传热学,Heat Transfer,通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系。,1.,基本思想,2.,湍流情况的雷诺比拟,式中 分别称为湍流粘度和湍流热扩散率。,传热学,Heat Transfer,对于前面研究的外掠平板的对流换热问题，在湍流情况下，其边界层内的动量方程和能量方程可表示为,t,传热学,Heat Transfer,3.,雷诺比拟的结果,对于平板上湍流边界层阻力系数的计算式如下：,在 和湍流普朗特数 的情况下。,因此，可得对于平板上湍流流动对流换热的局部努塞尔数的计算式如下：,传热学,Heat Transfer,对流换热的理论求解部分至此结束。,传热学,Heat Transfer,目前，采用实验方法仍是研究对流换热问题的最主要途径。,以管内对流换热问题为例，讨论如何通过实验方法对其进行研究。,传热学,Heat Transfer,5-5,相似原理及量纲分析,实验研究仍然是解决复杂对流换热问题的主要方法,相似原理则是指导实验研究的理论。,相似原理可以回答如下问题：,如何安排实验？并应该测量哪些量？,做完实验后如何整理实验数据？,所得结果可以推广应用的条件是什么？,传热学,Heat Transfer,一、相似的概念,1,、几何相似,图形各对应边成比例,传热学,Heat Transfer,、物理量,场的相似,即同名的物理量在所有对应瞬间、对应地点的数值成比例。,例：流体在圆管内稳态流动时速度场相似，则,传热学,Heat Transfer,、物理现象相似,对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。,例如，对于两个稳态的对流换热现象，如果彼此相似，则必有换热面的几何形状相似、温度场、速度场及物性场相似等。,注意：同类现象是指用相同形式和内容的微分方程式（控制方程,+,单值性条件方程）所描述的现象。,传热学,Heat Transfer,二、相似原理,相似原理分三点表述了物理现象相似的性质、相似准则间的关系及判别的准则，也称为相似三定理。,1,、相似的性质,彼此相似的物理现象，同名的相似特征数（准则数）相等。,根据定义，两相似的物理现象，其与现象有关的物理量一一对应成比例，但是各比例系数不是任意的，它由描述现象的微分方程相互制约，这个制约关系可由相似特征数表示。,传热学,Heat Transfer,例如，对于外掠平板的对流换热现象，可以得到雷诺数,、普朗特数,和努赛尔数,。如果是两个相似的外掠平板的对流换热现象，则必有：,相似特征数可通过相似分析（见教材）、无量纲化等方法得到。,对于纯自然对流换热现象，可以得到努赛尔数,、雷诺数,和格拉晓夫数,。,传热学,Heat Transfer,根据相似的这种性质，在实验中就只需测量各准则所包括的量，避免了测量的盲目性，解决了实验中测量哪些量的问题。,传热学,Heat Transfer,2,、相似准则数间的关系,描述现象的微分方程组的解，原则上可以用相似特征数之间的函数关系表示。,对于无相变强制对流换热：,自然对流换热：,混合对流换热：,按上述关联式整理实验数据，就能得到反映现象变化规律的实用关联式,从而解决了实验中实验数据如何整理的问题。,传热学,Heat Transfer,3,、判别相似的条件,同名已定特征数相等,单值性条件相似,单值性条件：几何条件、物理条件、时间条件、边界条件,综上所述，相似原理全面地回答了实验研究中会遇到的三个问题：,（,1,）实验时，应当以相似特征数作为安排实验的依据，并测量各特征数中包含的物理量；,（,2,）实验结果应整理成特征数间的关联式；,（,3,）实验结果可以推广应用到与实验相似的情况。,传热学,Heat Transfer,假设对流换热现象,A,与对流换热现象,B,相似，根据物理现象相似的定义，它们必须是同类的对流换热现象，用形式和内容完全相同的方程来描写，并且所有的物理量场必须相似。于是，由对流换热过程方程式可得,对于现象,A,：,对于现象,B,：,传热学,Heat Transfer,传热学,Heat Transfer,5-6,相似原理的应用,一、对流换热实验数据的整理方法,相似准则数关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性。,特征数关联式通常整理成幂函数形式：,式中，,C,、,n,、,m,等需由实验数据确定,传热学,Heat Transfer,0,采用最小二乘法确定关联式中各常数是最可靠的方法,幂函数在对数坐标图上是直线,传热学,Heat Transfer,二、模化试验,相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。所谓模化试验，是指用不同于实物几何尺度的模型来研究实际装置中所进行的物理过程的试验。,传热学,Heat Transfer,三、常见相似准则数的物理意义,N,u,流体在壁面处法向无量纲过余温度梯度。,1.,努赛尔数,2.,雷诺数,R,e,流体惯性力与粘性力的相对大小。,传热学,Heat Transfer,P,r,流体动量扩散能力与热量扩散能力相对大小。,G,r,流体浮升力与粘性力的相对大小。,3.,普朗特数,4.,格拉晓夫数,传热学,Heat Transfer,四、特征尺度、特征速度和定性温度,特征尺度、特征速度分别是指包括在准则数中的几何尺度和速度，定性温度是用于计算流体物性的温度。,传热学,Heat Transfer,