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第三节第三节 对流换热对流换热第1页基本概念及牛顿公式基本概念及牛顿公式对流换热对流换热：指流体指流体(气体或液体气体或液体)与固体表面与固体表面直接直接接触接触时，因为时，因为温差温差引发相互之间热能传递引发相互之间热能传递过程。过程。导热与对流同时存在复杂热传递过程；导热与对流同时存在复杂热传递过程；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差；动；也必须有温差；壁面与流体交界处会形成速度梯度很大壁面与流体交界处会形成速度梯度很大边边界层界层。第2页边界层边界层 流体沿着壁面流动可分为两个区域：流体沿着壁面流动可分为两个区域：1）紧靠壁面薄层，含有较大流体）紧靠壁面薄层，含有较大流体速度梯度或温度梯度，称为边界层。速度梯度或温度梯度，称为边界层。2）边界层以外主流区域，主流速）边界层以外主流区域，主流速度均匀，主流温度一定，梯度均为零。度均匀，主流温度一定，梯度均为零。第3页速度边界层特征速度边界层特征：流体速度从流体速度从0wf，受内摩擦力影响大，受内摩擦力影响大，含有较大速度梯度。含有较大速度梯度。层流层流：有规则分层流动有规则分层流动，在与壁面垂直方向上速在与壁面垂直方向上速 度为零，故无对流，度为零，故无对流，热量热量 传递主要依靠传导，与传递主要依靠传导，与 流体流速无关。流体流速无关。第4页 紊流紊流：伴随流体流动，边界层厚度：伴随流体流动，边界层厚度增加，过渡到紊流层，因为惯性力作增加，过渡到紊流层，因为惯性力作用，流体运动加剧，在壁面法线方向用，流体运动加剧，在壁面法线方向含有速度，从而含有了较强对流作用，含有速度，从而含有了较强对流作用，而在紊流状态下，垂直于壁面方向上而在紊流状态下，垂直于壁面方向上不但有导热，而且也有热对流，而且不但有导热，而且也有热对流，而且就普通流体来说，垂直于管壁方向上就普通流体来说，垂直于管壁方向上热对流起主导作用。热对流起主导作用。第5页热边界层特征热边界层特征 速度边界层概念推广用于热交速度边界层概念推广用于热交换过程，可得到热边界层，也称换过程，可得到热边界层，也称为温度边界层。为温度边界层。热边界层在沿壁面法线方向上热边界层在沿壁面法线方向上含有较强温度梯度，温度改变较含有较强温度梯度，温度改变较大，温度从大，温度从t tw wt tf f。第6页牛顿公式牛顿公式 牛顿公式指出，对流换热量牛顿公式指出，对流换热量Q和对流换和对流换热面积热面积F及温度差及温度差t成正比成正比。Q Q在单位时间内，壁面面积和流体之间对在单位时间内，壁面面积和流体之间对 流换热量；流换热量；t t壁面平均温度和流体平均温度之差；壁面平均温度和流体平均温度之差；沿沿F平均对流换热系数。平均对流换热系数。我们称：我们称：1/(F)为对流换热热阻为对流换热热阻第7页影响对流换热系数原因影响对流换热系数原因流体物性流体物性 ：，CpCp、：、CpCp，流体载热能力，流体载热能力，。：，边界层厚度，边界层厚度，热阻，热阻，。流体速度流体速度 w w：w w，层流底层厚度层流底层厚度，热阻热阻，导热导热；且流体内相对位移加剧，对流；且流体内相对位移加剧，对流，。壁面几何尺寸、形状和位置壁面几何尺寸、形状和位置第8页惯用对流换热准则惯用对流换热准则流体运动相同准则流体运动相同准则雷诺准则雷诺准则：表示流体惯性力与粘滞阻力比值，表示流体惯性力与粘滞阻力比值，用用ReRe能够推测流体运动状态。能够推测流体运动状态。ReRe大说明大说明惯性力大，流态往往呈紊流；惯性力大，流态往往呈紊流；ReRe小说明小说明内摩擦力大，流态往往呈层流。内摩擦力大，流态往往呈层流。第9页葛拉晓夫准则葛拉晓夫准则：（ggt t）是单位质量流体浮升力，所以）是单位质量流体浮升力，所以GrGr准则是表征流体所受浮升力大小对换热准则是表征流体所受浮升力大小对换热影响准则。影响准则。GrGr大，说明浮升力大，流体自大，说明浮升力大，流体自由流动激烈，自然对流换热较强；由流动激烈，自然对流换热较强；GrGr小，小，则自然对流换热较弱。所以则自然对流换热较弱。所以GrGr是研究自然是研究自然对流换热主要准则。对流换热主要准则。第10页热相同准则热相同准则普兰特准则普兰特准则：（a为导温系数）为导温系数）PrPr是由流体主要物性量组成，是一个是由流体主要物性量组成，是一个表征流体物性对流体内部温度场影响准则。表征流体物性对流体内部温度场影响准则。PrPr大，则表示为粘性大而导温能力大，则表示为粘性大而导温能力弱弱流体；流体；PrPr小小，则表示为粘性小而导温能力，则表示为粘性小而导温能力强强流体。流体。普通普通PrPr近似是个常数。近似是个常数。第11页努谢尔准则努谢尔准则：NuNu中既包含了对流换热系数中既包含了对流换热系数又包含了又包含了导热系数导热系数，表示边界层导热热阻与对流表示边界层导热热阻与对流换热热阻比值。因为包含对流换热系数，换热热阻比值。因为包含对流换热系数，故称故称NuNu为待定准数。在计算过程中，只要为待定准数。在计算过程中，只要求出求出NuNu准数，即可计算对流换热系数准数，即可计算对流换热系数。第12页对流换热准则方程对流换热准则方程各准则各准则ReRe、GrGr、PrPr、NuNu之间含有以下关系式：之间含有以下关系式：F(NuF(Nu，PrPr，GrGr，Re)=0Re)=0 即即 Nu=f(ReNu=f(Re，PrPr，Gr)Gr)自然对流换热中，自然对流换热中，GrGr起主要作用，而起主要作用，而ReRe可忽可忽略不计，则可得：略不计，则可得：Nu=f(GrNu=f(Gr，Pr)Pr)受迫对流换热中，普通自然对流很弱，可忽受迫对流换热中，普通自然对流很弱，可忽略不计，略不计，GrGr无须考虑，无须考虑，ReRe起主要作用，则起主要作用，则可得：可得：Nu=f(ReNu=f(Re，Pr)Pr)第13页定性温度和定性尺寸定性温度和定性尺寸定性温度：定性温度：决定准数中物理参数数值大小温度。决定准数中物理参数数值大小温度。流体与壁面平均温度；即流体与壁面平均温度；即t=(tt=(tw w+t+tf f)/2)/2 固体壁面温度固体壁面温度t tw w。流体平均温度流体平均温度t tf f。定定性性尺尺寸寸：对对流流体体流流动动有有决决定定意意义义固固体体壁壁面面与与流流体相接触几何尺寸。体相接触几何尺寸。流体沿垂直壁自然换热时，取壁高度。流体沿垂直壁自然换热时，取壁高度。当流体横向擦过圆柱管时，取圆柱外径。当流体横向擦过圆柱管时，取圆柱外径。当流体纵向擦过圆柱管时，取流动方向管壁当流体纵向擦过圆柱管时，取流动方向管壁 长度。长度。第14页计算方法：计算方法：a a）查各种条件下准数方程，计算出）查各种条件下准数方程，计算出NuNu。b b）利用）利用 ，计算出，计算出。c c）利用牛顿冷却定律计算出）利用牛顿冷却定律计算出Q Q或或q q。第15页无限空间中自然对流换热无限空间中自然对流换热 准则方程：准则方程：NuNum m=C(Gr=C(GrPr)Pr)m mn n 定性温度为流体与壁面平均温度定性温度为流体与壁面平均温度t tm m。定性尺寸依据壁面形状和位置判断。定性尺寸依据壁面形状和位置判断。式中系数式中系数C C和指数和指数n n值，可依据壁面形值，可依据壁面形 状、状、位置及位置及(Gr(GrPr)Pr)m m数值范围查取。数值范围查取。第16页第17页
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