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1、第5章 对流传热的理论基础 5.1 对流传热概说 5.2 对流传热问题的数学描写 5.3 边界层型对流传热问题的数学描写 5.4 流体外掠平板传热传热层流分析解及比拟理论 5.1 对流传热概说 流体流动的起因 流体有无相变 流体的流动状态 换热表面的几何因素 流体的物理性质 综上可得： 5.1.1 对流传热的影响因素 5.1.2 对流传热现象的分类（P200 ） 5.1.3 对流传热的研究方法（P199-201） （1） 分析法 （2） 实验法 （3） 比拟法 （4） 数值法 5.1.4 如何从解得的温度场来计算表面传热系数（ P201） 贴壁处得无滑移边界条件（P201见书中定义） 在此条件
2、下，将傅里叶定律应用于贴壁流体 层，可得： 将牛顿冷却公式与上式联立，可得： 5.2 对流传热问题的数学描写 对流传热问题完整的数学描写包括对流传热微 分方程组及定解条件，微分方程组包括质量守恒、 动量守恒及能量守恒这三大守恒定律的数学表达式 5.2.1 运动流体能量方程的推导 假设：（1）流动是二维的；（2）流体为不可压缩的牛顿型流体 ；（3）流体物性为常数、无内热源；（4）粘性耗散产生的耗散 热可以忽略不计。 推导过程：（详见书P203-204） 得二维、常物性、无内热源的能量微分方程： 几点讨论（见书P205 ） 5.2.2对流传热问题完整的数学描写 对于不可压缩、常物性、无内热源的二维
3、问题，其微 分方程组为： 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 连续性方程 其定解条件的数学表达式比较复杂，不作详述，在外掠 平板的边界层流动中将给出举例 5.3 边界层型对流传热问题的数学描写 5.3.1 流动边界层及边界层动量方程 1， 流动边界层及其厚度的定义 （1）流动边界层：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，又称速度边界层。 （2）厚度：通常规定达到主流速度的99%处得距离y为流动边界 层的厚度，记为 2，流动边界层内的流态（P208） 3, 流动边界层内的动量方程 运用数量级分析的方法，层流边界层内粘性流体的稳态动量 方程可简化为： 稍后再讲解
4、数量级分析方法 5.3.2 热边界层及热边界层能量方程 1. 热边界层及厚度的定义 热边界层：固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层， 又称为温度边界层 厚度：记为 ，对于外掠平板的对流传热，一般以过余温度 为来流温度的99%处定义为 的外边界 2. 数量级分析方法 （1）基本思想：所谓数量级分析，是指通过比 较方程式中各项数量级的相对大小，把数量级较 大的项保留下来，而舍去数量级较小项，实现方 程式的合理简化。 （2）实施方法 （详见书P210） 5.3.3 二维、稳态边界层型对流传热问题的数学描写 这里所谓的边界层类型问题是指在主流方向上的二阶导数可以 忽略的问题 对于二维、稳态、无内
5、热源的边界层类型问题。流场与温度 场的控制方程式为 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 5.4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论 5.4.1 流体外掠等温平板传热的层流分析解 假设平板表面温度为常数，在边界层动量方程式中引入 可得出以下结果 离开前缘x处得边界层厚度 范宁局部摩擦系数 流动边界层与热边界层厚度之比 局部表面传热系数 / 5.4.2 特征数方程 若想得到整个平板的对流传热表面传热系数，可直接将上式从0 到l 做积分，可得 此式在Re500000的外掠等温平板的流动，整个平板的平均 表面传热系数h应按下式计算 积分后可得 第六章 单相对流传热的实验关联式 本章要点：1.相
6、似原理与量纲分析的基本方法 2.强制对流传热的基本原理和计算 3.自然对流传热的基本原理和计算 本章重点：对流传热的有关实验关联式的分析求解 主要内容：1.相似原理与量纲分析 2.相似原理的应用 3.内部强制对流传热的实验关联式 4.外部强制对流传热的实验关联式 5.大空间与有限空间内自然对流传热 6.射流冲击传热的实验关联式 总体架构 1.相似原理与量纲分析的基本方法 基本原理 2.强制对流传热与自然对流传热的基本原理 管内湍流强制对流 管内层流强制对流 基本公式 外部强制对流 自然对流 相似原理与量纲分析的基本方法 常见相似准则数的物理意义 内部强制对流传热实验关联式 1.两种不同的流态：
7、 层流: 过渡区： 旺盛湍流： 2.入口段与充分发展段： 入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数比充 分发展段的高，且沿着主流方向逐渐降低。 层流入口段的长度： 3.两种典型的热边界条件均匀热流和均匀壁温 热边界条件：当流体在管内被加热或被冷却时， 加热或冷却壁面的热状况。 均匀热流：轴向与周向热流密度均匀。 均匀壁温：轴向与周向壁温均匀。 湍流时：除液态金属外，两种热边界条件对表面 传热系数的影响可以不计。 层流时：这两种边界条件下的差别是不容忽视的 4.流体平均温度以及流体与壁面的平均温差 定性温度：截面上流体的平均温度（或进、 出口截面平均温度）： 利用热平衡式确定平均的对流传热温差：
8、其中 为： 管内湍流强制对流传热关联式 常规流体的关联式： 定性温度：流体平均温度；特征长度：管内径。 加热流体时：n= 0.4； 冷却流体：n= 0.3。 适用条件： a、适用于流体与壁面温度具有中等温差的场合； b、实验验证范围： c、仅能用于旺盛湍流的范围； d、只适用于水力光滑区。 变物性影响的修正 对气体，被加热时： 被冷却时： 对液体 被加热时： 被冷却时： 非圆形截面的槽道时： 当量直径： 关联式： 对液体： 对气体： 其中： 实验验证范围： 液态金属： 均匀热流边界条件： 实验验证范围： 均匀壁温边界条件： 试验验证范围： 管内层流强制对流传热关联式 实验关联式： 定性温度为流
9、体的平均温度，特征长度为管径。 实验验证范围： 一些具有代表性的结果：（P250-251） 表6-2、表6-3，表6-4 外部强制对流传热关联式 圆管表面平均表面传热系数的关联式： 定性温度： 特征长度：管外径； Re数的特征速度为来流速度 。 实验验证范围： C与n的值： 在整个试验范围内都适用的准则式： 定性温度： 适用于 的情形。 气体横略非圆形截面柱体的实验关联式 其中C与n的值： 定性温度： 特征长度：L 流体横掠管束 关联式： 表6-7，流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算 关系式（16排） 表6-8流体横掠叉排管束平均表面传热系数计算 关系式（16排） 表6-9 茹卡乌斯卡斯公式
10、的管排修正系数 自然对流传热的实验关联式 体胀系数： 格拉晓夫数： 大空间自然对流实验关联式： 定性温度： 当为理想气体时， 数中的体胀系数： 式中的常数C和n 竖圆壁用上表竖壁的关联式只限于： 均匀热流边界条件： 其中： 常数B和m： 有限空间自然对流传热的实验关联式： 当 数极小时，夹层的热量传递依靠导热： 对于竖夹层： 对于水平夹层（底面为热面）： 空气在夹层中自然对流传热时： 竖夹层： 实验范围： 水平夹层： 第七章 相变对流传热 凝结传热的模式 凝结形式 珠状凝结 膜状凝结 Q（a角）越小液体润湿能力超强 凝结液构成了蒸气与壁面的主要热阻 特性：面积越大、越厚，热阻越大 减小热阻：珠
11、状凝结优于膜状凝结 膜状凝结是工程设计的依据 实际中大多数为膜状凝结 膜状凝结分析解及计算式 其中有8个假设 P304 竖壁及倾斜平均表面传热系数hv 局部表面热系数hx 水平圆管及球表面的凝结传热表面系数 水平管hH、球hS 的表达式 湍流膜状凝结Re、当Re1600时,整个壁面的平均表面传热系数h为： Nu 膜状凝结的影响因素及其传热强化 影响因素 不凝结气体 管子排数 管内排数 蒸气流速 蒸气过热度 液膜过冷度及湿度分布非线性 7.3.2膜状凝结的强化原则和技术 基本手段 1、减薄液膜厚度 2、及时排液 原则：尽量减薄液膜层的厚度 7.4沸腾传热的模式 液体汽化 蒸发 沸腾 大容器沸腾
12、管内沸腾 大容器饱和沸腾的三个区域： 孤立汽泡区 气柱汽块区 膜态沸腾区 7.4.3汽泡动力学 在平衡条件下表达式： T 半径为R的汽泡所需的过热度 7.5大容器沸腾传热的实验关联式 1、无量纲关联式： 对于制冷介质而言有库珀公式较为广用 2、大容器饱和沸腾临界负荷计算式q(max) 3、大容器饱和液体膜 态沸腾传热公式h 7.6沸腾传热的影响因素及其强化 影响因素 1、不凝结气体 2、过冷度 3、液位高度 4、重力加速度 5、管内沸腾 7.6.2强化的方法： 热管的工作原理P331 热阻：7个热阻P333 热管的特性： 1 2 可以在较大的范围内调整蒸发段与冷凝段的热流密度 可以让热量沿着某个方向传递 凝结与沸腾 凝结换热 沸腾换热 热管 计算要求：竖壁和水平管外的层流膜状凝结与大容器核态沸腾
