53动量传递和热量传递的类比及相似理论基础.pptx

Heat Transfer传热学传热学BuildingEnergyEfficiencyistheWaveoftheFuture!5 对流换热分析对流换热分析建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一!Chapter5 The Analysis of Convection Heat TransferL o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer本章内容要求：本章内容要求：v重重点点内内容容：对对流流换换热热及及其其影影响响因因素素；牛牛顿顿冷冷却却公公式式；用用分分析析方方法法求求解解对对流流换换热热问问题题的的实实质质；边边界界层层概概念念及及其其应应用用；相相似似原原理理；无无相相变变换换热热的表面传热系数及换热量的计算。的表面传热系数及换热量的计算。v掌掌握握内内容容：对对流流换换热热及及其其影影响响因因素素；用用分分析析方方法求解对流换热问题的实质。法求解对流换热问题的实质。1 1、温温度度为为3030的的空空气气以以0.5m/s0.5m/s的的速速度度平平行行掠掠过过长长250mm250mm、温温度度为为5050的的平平板板，试试求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。求出平板末端流动边界层和热边界层的厚度及空气与单位宽度平板的换热量。解：解：边界层的平均温度都为边界层的平均温度都为 空气空气4040的物性参数分别为的物性参数分别为v v=16.96x10=16.96x10-6-6m m2 2/s,/s,=2.76x10=2.76x102 2W/m.k,Pr=0.699,W/m.k,Pr=0.699,在离平板前在离平板前250mm250mm处，雷诺数为处，雷诺数为 边界层为层流。流动边界层的厚度为边界层为层流。流动边界层的厚度为 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 1m1m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 2.2.2.2.引入边界层概念的意义引入边界层概念的意义引入边界层概念的意义引入边界层概念的意义缩小计算区域。对对流换热问题的研究可集中在边界缩小计算区域。对对流换热问题的研究可集中在边界层区域内层区域内边界层内的流动与换热可以利用边界层的特点进一步边界层内的流动与换热可以利用边界层的特点进一步简化简化3.在对流换热过程中，紧靠壁面处总存在一个不动的流体层，利用该层就可以计算出交换的热量，这完全是一个导热问题，但为什么又说对流换热是导热与对流综合作用的结果。流体流过静止的壁面时，由于流体的粘性作用，流体流过静止的壁面时，由于流体的粘性作用，在紧贴壁面处流体的流速等于零，壁面与流体在紧贴壁面处流体的流速等于零，壁面与流体之间的热量传递必然穿过这层静止的流体层。之间的热量传递必然穿过这层静止的流体层。在静止流体中热量的传递只有导热机理，因此在静止流体中热量的传递只有导热机理，因此对流换热量就等于贴壁流体的导热量，其大小对流换热量就等于贴壁流体的导热量，其大小取决于热边界层的厚薄，而它却受到壁面流体取决于热边界层的厚薄，而它却受到壁面流体流动状态，即流动边界层的强烈影响，故层流流动状态，即流动边界层的强烈影响，故层流底层受流动影响，层流底层越薄，导热热阻越底层受流动影响，层流底层越薄，导热热阻越小，对流换热系数小，对流换热系数h也就增加。所以说对流换也就增加。所以说对流换热是导热与对流综合作用的结果。热是导热与对流综合作用的结果。4、试引用边界层概念来分析并说明流体、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。响。层流边界层的热阻为整个边界层的导热层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。导热系数越大，将使边界层导热热阻。导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。层导热热阻越大，对流换热强度越小。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer5-3 动动量量传递传递和和热热量量传递传递的的类类比及相似理比及相似理论论基基础础一、一、比拟理论求解湍流对流换热方法简介比拟理论求解湍流对流换热方法简介主要用于解决紊流换热现象的表面传热系数主要用于解决紊流换热现象的表面传热系数问题。问题。试图通过较易测定的阻力系数来获得相应的试图通过较易测定的阻力系数来获得相应的换热换热NU表达式。表达式。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer5-3 动动量量传递传递和和热热量量传递传递的的类类比及相似理比及相似理论论基基础础一、一、比拟理论求解湍流对流换热方法简介比拟理论求解湍流对流换热方法简介这里以流体外掠等温平板的湍流换热为例。这里以流体外掠等温平板的湍流换热为例。湍流边界层动量和能量方程为：湍流边界层动量和能量方程为：湍流动量扩散率湍流动量扩散率湍流热扩散率湍流热扩散率L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer引入下列无量纲量：引入下列无量纲量：则有：则有：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer雷诺认为：由于湍流切应力雷诺认为：由于湍流切应力 和湍流热流密度和湍流热流密度 均由脉动所致，因此，可以假定：均由脉动所致，因此，可以假定：湍流普朗特数湍流普朗特数当当 Pr=1Pr=1时，则时，则 应该有完全相同的应该有完全相同的解，此时：解，此时：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer为什么热量传递和动量传递过程具有类比性为什么热量传递和动量传递过程具有类比性?如果用形式相同的无量纲方程和边界条件能如果用形式相同的无量纲方程和边界条件能够描述两种不同性质的物理现象，就称这两够描述两种不同性质的物理现象，就称这两种现象是可类比的，或者可比拟的。把它们种现象是可类比的，或者可比拟的。把它们的有关变量定量地联系起来的关系式就是类的有关变量定量地联系起来的关系式就是类比律。比律。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer而而类似地：类似地：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer实验测定平板上湍流边界层阻力系数为：实验测定平板上湍流边界层阻力系数为：这就是有名的雷诺比拟，它成立的前提是这就是有名的雷诺比拟，它成立的前提是Pr=1Pr=1。式中，式中，称为称为斯坦顿（斯坦顿（StantonStanton）数。）数。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer当当 Pr Pr 1 1时，需要对该比拟进行修正，于是有时，需要对该比拟进行修正，于是有契尔契尔顿柯尔本比拟（修正雷诺比拟）：顿柯尔本比拟（修正雷诺比拟）：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer 当平板长度当平板长度l l 大于临界长度大于临界长度xcxc 时，平时，平板上的边界层由层流段和湍流段组成。其板上的边界层由层流段和湍流段组成。其NuNu分别为：分别为：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer则平均对流换热系数则平均对流换热系数 h hm m 为为:如果取如果取 ，则上式变为：，则上式变为：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer二、二、相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析 通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而，是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而，对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找出众多变量间的函数关系，比如出众多变量间的函数关系，比如，实验的次数十分庞大。为了大大减少实验次数，实验的次数十分庞大。为了大大减少实验次数，而且又可得出具有一定通用性的结果，必须在相而且又可得出具有一定通用性的结果，必须在相似原理的指导下进行实验。似原理的指导下进行实验。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer学习相似原理时，应充分理解下面学习相似原理时，应充分理解下面3 3个问题：个问题：实验时应该测量那些量实验时应该测量那些量实验后如何整理实验数据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所得结果可以推广应用的条件是什么L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer1.1.相似原理相似原理 用实验方法求解对流换热问题的思路用实验方法求解对流换热问题的思路（1 1）物理量相似的性质）物理量相似的性质用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象为用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象为用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象为用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象为同类现象，只有同类现象才能谈相似同类现象，只有同类现象才能谈相似同类现象，只有同类现象才能谈相似同类现象，只有同类现象才能谈相似。彼此相似的现象，其彼此相似的现象，其同名准则数必定相等。同名准则数必定相等。彼此相似的现象，其有关的物理量场分别相似彼此相似的现象，其有关的物理量场分别相似实验中只需测量各特征数所包含的物理量实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的避免了测量的盲目性盲目性，这就，这就解决了实验中测量哪些物理量的问题。解决了实验中测量哪些物理量的问题。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（2 2）相似准则之间的关系）相似准则之间的关系各特征数之间存在着函数关系，如常物各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：性流体外略平板对流换热特征数：整理实验数据时，即按准则方程式的内整理实验数据时，即按准则方程式的内容进行。这就解决了实验数据如何整理容进行。这就解决了实验数据如何整理的问题的问题L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（3 3）判别现象相似的条件）判别现象相似的条件单值性条件相似：单值性条件相似：初始条件、边界条件、初始条件、边界条件、几何条件、物理条件。几何条件、物理条件。同名的已定特征数相等。同名的已定特征数相等。两种现象相似是实验关联式可以推广应用两种现象相似是实验关联式可以推广应用的条件。的条件。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（4 4）获得相似准则数的方法）获得相似准则数的方法：相似分析法相似分析法相似分析法相似分析法相似分析法：相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一系列比例系数，尺寸相似倍建立两现象之间的一系列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。无量纲量。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer现象现象1 1：现象现象2 2：数学描述：数学描述：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer与现象有关的各物理力量场应与现象有关的各物理力量场应分别相似分别相似，即：，即：相似倍数间的关系：相似倍数间的关系：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer获得获得无量纲量及其关系：无量纲量及其关系：上式证明了上式证明了上式证明了上式证明了“同名特征数对应相等同名特征数对应相等同名特征数对应相等同名特征数对应相等”的的的的物理现象物理现象物理现象物理现象相似相似相似相似的特性。的特性。的特性。的特性。类似地：通过动量微分方程可得：类似地：通过动量微分方程可得：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer能量微分方程：能量微分方程：贝克利数贝克利数L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数一个新的无量纲数格拉晓夫数。格拉晓夫数。式中：式中：流体的体积膨胀系数流体的体积膨胀系数 K K-1-1 Gr Gr 表征流体表征流体浮升力浮升力与与粘性力粘性力的比值的比值 L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer同理，对于其他情况：同理，对于其他情况：自然对流换热：自然对流换热：混合对流换热：混合对流换热：强制对流强制对流:相似准则间的关系相似准则间的关系L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat TransferNu Nu 待定特征数待定特征数 （含有待求的（含有待求的 h h）ReRe，PrPr，Gr Gr 已定特征数已定特征数按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题。验中实验数据如何整理的问题。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer三、相似原理的应用三、相似原理的应用相似原理在传热学中的一个重要的应用是相似原理在传热学中的一个重要的应用是指导试验指导试验的安排及试验数据的整理的安排及试验数据的整理（前面已讲过）。（前面已讲过）。相似原理的另一个重要应用是相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。指导模化试验。所谓所谓模化试验，是指用不同于实物几何尺度的模型（在模化试验，是指用不同于实物几何尺度的模型（在大多数情况下是缩小的模型）来研究实际装置中所大多数情况下是缩小的模型）来研究实际装置中所进行的物理过程的试验。进行的物理过程的试验。1.1.相似原理的重要应用：相似原理的重要应用：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer2.2.使用特征方程时应注意的问题：使用特征方程时应注意的问题：（1 1）特征长度应该按准则式规定的方式选取）特征长度应该按准则式规定的方式选取v特征长度：特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；包含在相似特征数中的几何长度；v如：管内流动换热：取直径如：管内流动换热：取直径 d dv流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取取当量直径当量直径作为特征尺度：作为特征尺度：L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（2 2）定性温度应按该准则式规定的方式选取）定性温度应按该准则式规定的方式选取v定性温度：定性温度：计算流体物性时所采用的温度。计算流体物性时所采用的温度。v常用的选取方式有：常用的选取方式有：通道内部流动取进出口截面的平均值通道内部流动取进出口截面的平均值 外部流动取边界层外的流体温度或取这一温外部流动取边界层外的流体温度或取这一温度与壁面温度的平均值。度与壁面温度的平均值。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（3 3）准则方程不能任意推广到得到该方程的实）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以外验参数的范围以外v参数范围主要有：参数范围主要有：数范围；数范围；数范围；数范围；几何参数范围。几何参数范围。L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer3.3.常见无量纲常见无量纲(准则数准则数)数的物理意义及表达式数的物理意义及表达式L o g o建筑工程系 The DepartmentofConstruction EngineeringHeat TransferHeat Transfer本节小结：本节小结：一、一、比拟理论求解湍流对流换热方法简介比拟理论求解湍流对流换热方法简介二、二、相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析三、相似原理的应用三、相似原理的应用感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！