《东南大学传热学课件第五章 第一节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《东南大学传热学课件第五章 第一节（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 对流换热,对流换热,当流体流过固体壁面时，若流体温度与固体壁面的温度不同，则两者之间必然发生热量交换，这种热量交换过程称为对流换热。 对流换热过程中交换的热量可根据牛顿冷却公式计算 牛顿冷却公式只是表面传热系数的的一个定义式，它没有揭示出表面传热系数与影响它的物理量之间的内在联系。研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面传热系数的具体表达式。本章首先介绍对流换热问题的数学描写，并利用边界层的概念对其作一定的简化，然后对其求解。目前，对流换热表面传热系数的数值主要通过实验来获得，因此本章将着重介绍采用实验方法获得对流换热表面传热系数计算式时的重要理论工具相似原理，最后介绍
2、常见的无相变对流换热的实验关联式，而有相变的对流换热则留待下一章讨论。,第一节 对流换热概说,对流换热的概念 影响对流换热的因素 对流换热的分类 研究对流换热的方法 对流换热表面传热系数与温度场的关系,对流换热的概念,流体流过与其温度不同的固体壁面时，流体与固体壁面间的热量传递称为对流换热。 例如：人体表面与周围空气间的热量传递；空气与房屋墙面间的热量传递；锅炉中烟气与受热面间的热量传递；内燃机气缸内燃气与气缸壁间的热量传递；烧开水时，火焰与壶底及水与壶底间的热量传递等等。 对流换热现象是生活和工程中常见的热量传递现象,影响对流换热的因素,流体流动的起因 流体有无相变 流体的流动状态 换热表面
3、的几何因素 流体的物理性质,流动起因对换热的影响,由于流动起因的不同，流动可以分为自然流动和强迫流动，与之相对应的换热可分为自然对流换热和强迫对流换热。 自然流动是由于流体中各点的温度不同，从而导致流体中各点的密度不同，因而在此密度差的作用下流体产生的流动。此种情况下流体与固体壁面间的换热称为自然对流换热。 强制（迫）流动是由于外力的作用（如风机等）而产生的流动。此种情况下流体与固体壁面间的换热称为强迫对流换热。 由于两种流动的成因不同，流体中的速度场也有差异，所以换热规律就不一样。一般而言，强迫对流的换热强度要大于自然对流换热。,流体有无相变的影响,对流换热是流体在流动过程中与固体壁面交换的
4、热量，所以，此时流体微团携带热量的多少直接影响换热强度的大小。 没有相变时流体微团所携带的热量是热容量，因此流体与壁面的换热量主要是流体的显热。 在有相变的换热过程中（如沸腾或凝结），流体相变热（潜热）的释放或吸收常常起主要作用，因而换热规律与无相变时不同。 一般而言，有相变时的对流换热系数大于无相变时的换热系数。,流动状态对换热的影响,流体力学的研究已经表明，粘性流体存在着两种不同的流态层流和湍流。 层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，此时换热的主要热阻是层流边界层的厚度。 湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合，换热主要以热对流为主。 在其他条件相同时湍流换热的强度要强于层流。,换热
5、表面几何因素对换热的影响,这里的几何因素是指换热面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热面的表面状态（光滑或粗糙）等。 流体流过不同换热面时，由于其流动规律不同（速度分布不同），所以换热情况也不同。 演示：流体流过不同物体时的流动状况,流体物理性质对换热的影响,流体的物理性质对于对流换热有很大的影响。由于对流换热是导热和流动着的流体微团携带热量的综合作用，因此对流换热强度与反映流体导热能力的导热系数、反映流体携带热量能力的密度和比热容有关。流体粘度（或运动粘度）的变化会引起雷诺数的变化，从而影响流体流态和流动边界层的厚度。体积膨胀系数影响自然对流时浮升力的大小和边界层内的温度分
6、布。因此，流体的这些物性值也都对换热有影响。 一般而言，流体导热系数增加、热容量增加时，对流换热强度增加；而流体粘度增加时，对流换热强度会减小。,对流换热的分类,对流换热研究方法,分析法 实验法 比拟法 数值法,分析法,分析法是指对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。这种方法的优点是能深刻揭示各个物理量对表面传热系数的依变关系，深刻理解对流换热过程的物理性质；缺点是由于数学求解的复杂性，只能求解某些定解条件简单的特定问题。,实验法,即通过相似理论或量纲分析确定对流换热系数的准则关联式，然后通过实验确定关联式中的待定常数，进而获得
7、对流换热系数的准则方程式。这种方法是目前获得对流表面传热系数的主要方法。,比拟法,是指通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表面传热系数与阻力系数间的相互关系的方法。应用比拟法，可通过比较容易用实验测定的阻力系数来获得相应的表面传热系数的计算公式。这种方法在传热学发展的早期，曾广泛用来获得湍流换热的计算公式。随着实验技术及计算技术的迅速发展，近年来这一方法已较少应用。,数值法,用离散数学的方法，对描写对流换热问题的偏微分方程组进行离散，建立节点方程组，利用计算机求解的方法称为数值解法。这种方法在近20多年来获得了迅速的发展，并将会日益显示出其重要的作用。,表面传热系数与流体温度场
8、之间的关系,当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在靠近壁面的地方流体速度逐渐减小，而在贴壁处流体将被滞止而处于无滑动状态。换句话说，在贴壁处流体没有相对于壁面的流动，即处于静止状态。由于贴壁处这一极薄的流体层相对于壁面是不流动的，而壁面与流体间的热量传递必须穿过这个流体层，穿过不流动的流体层的热量传递方式只能是导热。因此，对流换热量就等于贴壁流体层的导热量。,壁面附近速度分布示意图,换热方程的推导,贴壁处流体的导热量 流体与壁面之间的对流换热量 稳态换热时两者相等,对换热方程的说明,换热方程将对流换热表面传热系数与流体的温度场联系起来，不论是分析解法、数值解法还是实验法都要用到它。 换热方程与导热问题的第三类边界条件是不同的，换热方程中的h是未知量，而导热问题第三类边界条件中的h是作为已知的边界条件给出的。此外导热问题第三类边界条件中的是固体的导热系数，而此处的是流体的导热系数。 换热方程中的温差永远取正值。,
