对流换热讲义PPT演示文稿

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1、1,瓦莲京娜弗拉基米罗夫娜捷列什科娃(1937年生),世界第一名女航天员,苏联空军少将,人类历史上进入太空的第一位女性。她还是技术科学副博士,两次被授予列宁勋章;荣获联合国和平金奖,世界上十几个城市的荣誉市民;月球背面的一座环形山以她的名字命名。,2,斯韦特兰娜萨维茨卡娅(1948年生) 苏联运动健将和宇航员,竞速飞行记录的创造者和飞的最高记录的保持着,世界第二位女宇航员和世界首位女性太空行走者。她现在是俄罗斯联邦国家杜马共产党派的副主席。,3,萨利克里斯滕赖德 ,1951年生。1979年起为宇航员。1983年6月18日成为“挑战者”号第二次飞行的宇航员之一,是美国进入太空的第一名女宇航员和美

2、国最年轻的宇航员,也是世界上第三名进入宇宙的女宇航员。,4,女宇航员所创造的最长飞行时间纪录是188天4小时14秒。她乘坐美国的“亚特兰蒂斯STS76”号宇宙飞船抵达“和平”号空间站,同年9月26日乘“亚特兰特蒂斯STS79”号返回地面。,5,1995年2月3日,美国女宇航员艾琳 玛丽 柯林斯乘“发现”号航天飞机飞上太空。1999年,已经身为人母的柯林斯第三次进入太空,成为人类历史上第一位航天飞机女指令长,驾驶“哥伦比亚”号航天飞机完成了7月23日至27日的飞行。,6,克里斯塔麦考利夫(左)1948年生。她原本是一名普通中学教师,但遨游太空的梦想和美国航空和航天局(NASA)招募太空教师的决定

3、让她走进了宇航界。朱迪丝雷斯尼克(右)1949年生,犹太后裔。1978年,雷斯尼克被选入NASA的宇航员项目,在1984年8月“发现”号处女航时担任任务专家。,7,卡尔帕纳乔娜1994年,乔娜被NASA选中,参加为期一年的太空严格训练,身份是航天飞机太空任务专家。劳雷尔克拉克1961年生,1996年又被选为宇航员。,8,对流换热,9,对流换热:流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换.,对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式,即,或对于面积为A的接触面,其中t 为换热面积A上的平均温差.约定q 及 总是取正值,因此t及tm也要求取正值.,5-1 对流换热概述,10,一.对流换热的分类,1.按动力分

4、,强制对流(forced convection):由于泵,风机,或压差等流体本身以外的动力产生的流动换热.,自然对流(natural convection):由于流体的密度差等流体本身的因素产生的流体流动换热.,混合对流(mixed convection):自然对流和强制流动换热并存.,11,凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为液态时发生的换热.,熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热(sub

5、limation heat transfer ),相变换热:传热过程中有相变发生.,物质有三态,固态,液态,气态,称三相.,相变换热又分为:,沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生的换热.,2.按有无相变分,12,层流流动换热(laminar heat transfer) 紊流流动换热(turbulent heat transfer),4.按几何形状,管内(槽道内)流动(flow in ducts ) 外部绕流(around vertical plant),3.按流动形式分,13,对流换热的分类表,14,无滑移边界条件,令上两式相等则有,则,二、对流传

6、热的基本公式 ( h 的确定方式),15,一、假设条件 为简化分析,对于常见影响对流换热问题的主要因素,做如下假设: (1) 流动是二维的; (2) 流体为不可压缩的牛顿流体; (3) 流体物性为常数,无内热源; (4) 流速不高,忽略粘性耗散(摩擦损失) ; (5) 流体为连续性介质,5-2 对流换热问题的数学描述,16,二、能量方程的推导.,17,利用热力学第一定律有 导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增 在x方向上导入的净热量有:,在y方向上导入的净热量:,在x方向上流入的净热量,18,略去高次项后得,代入热力学第一定理得,单位时间内的微元控制体内的焓增,同理得Y方向上的净热量,19

7、,1.连续性方程(continuity equation),2.动量守恒方程(momentum equation),惯性力(inertial force),体积力 (body force),压力梯度 (pressure gradient),粘性力 (viscous force),3.能量守恒方程 (energy equation),能量变化,对流项,导热项,三.对流换热微分方程组.,20,未知量:u, v, p, t, h 方程: 五个 方程组是封闭的,可求解 强烈非线性,4.换热微分方程(无滑移边界条件),21,1.初始条件 2.边界条件: 第一类边界条件,规定边界上流体的温度分布. 第二类

8、边界条件,给定边界上加热或冷却流体的 热流密度. 为何不用第三类边界条件?,四.定解条件.,解析解:解微分方程组 数值解::计算机进行数值计算 实验方法(理论分析法与实验相结合) 比拟法:动量传递与热量传递相似性,五、求解方法,22,流速:V h V=0 无对流 物性表征物质物理特性的物理量 密度(density),粘性(viscosity),热导率(thermal conductivity),比热(specific heat capacity)等,其他条件相同时,不同的流体换热量不同,就是因为物性不同 流体及壁面温度 定性温度(reference temperature),六、影响对流换热的

9、因素,23,流动状态:层流,紊流;,壁面形状,位置 形状(平板,圆管)位置(横放,竖放,管内,管外),综上所述,Newton cooling law 只是一种处理方法,既将许多因素都加在h上。对流换热的内容实际都是讨论 h 如何确定.,对于管内流动,24,一.边界层的概念,1. 流动(速度)边界层: 靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层 边界层的厚度(boundary layer thickness): 达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离,5-3 边界层分析及边界层微分方程组,25,边界层的特点 (1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分. 分

10、界点 Rec=3X1053X106,一般 可取Rec=5X105 在紊流区,贴壁面还有一极薄的层流底层(粘性底层) (2) =(x) x (x) (3) (x) x (4) 流场分为: 主流区 (undisturbed flow regime)(potential) 边界层区(boundary regime),26,假如流体的温度为t (ttw ),将有热量传递。 定义: 在壁面附近温度发生显著变化的薄层. 热边界层的厚度:过余温度=t-tw=0.99(t-tw)至壁面的距离t 边界层的特点:与流动边界层相同,2.热边界层(温度边界层thermal boundary layer),27,在定义

11、边界层厚度时,我们用u和t, 在忽略体积力时,有,能量方程,如果=a,方程完全一样.因此他们的解也必定相同,也就是说其速度分布与温度分布完全相同.故a 就有重要意义.,普朗特数(Prandtl number),动量方程,3.流动边界层与热边界层比较,28,运动粘度,粘性扩散的能力,热扩散率,热扩散的能力,粘性扩散=热扩散,常见流体 : Pr=0.64000 空气: Pr=0.61 液态金属较小 :Pr =0.01-0.001数量级,粘性扩散热扩散,粘性扩散热扩散,29,二、数量级分析方法及边界层换热微分方程组,在热边界层内,假设牛顿流体具有常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力. 已

12、知:u,t, 的量级为0(1) , t , v 的量级为0(),以此六个量为分析基础。,故,,数量级定级为1,,数量级定级为0,导数的数量级由因变量与自变量的数量级确定,所以,30,的数量级为1,,这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致), x方向的动量扩散可以忽略,31,最后,我们得到:, x方向的导热可以忽略,32,其中dp/dx是已知量,可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定(忽略重力或平面流动),边界条件,33,上述方程的求解结果(层流)及局部换热系数为 (1908,Blasius, 1921, Pohlhausen),上式改写为,无量纲量 称为努塞尔数,记为Nu,于是,外掠

13、等温平板的无内热源的层流对流换热问题的分析解为,上式称为特征数方程,习惯上称为准则方程或关联式。,34,5-4 准则数,雷诺数:,毕渥数:,贝克莱数:,普朗特数:,努塞尔数:,格拉晓夫数:,35,自然对流(natural or free convection):由于流体自身的温度 场不均匀性引起的流动,密度是运动的动力。 实例:暖器散热,电子元件散热。 特点: 速度分布两端小,中间大,温度分布与强制对流相 似。 一般情况下,不均匀稳度场只发生在靠近 换热面的薄层内,形成自然对流边界层。与平板的类似,也有层流湍流之分,5-5 自然对流换热及其实验关联式,36,分类,所研究对象周围无其它物体影响换

14、热。只要边界层不受干扰即为大空间。,有限空间自然对流:不满足大空间条件,大空间自然对流,37,其中,体膨胀系数(volume coefficient of expansion),对于理想气体 pv=RT,定性温度:,一、大空间自然对流换热的实验关联式,38,39,例5-8 室温为10的大房间中有一个直径为10cm的烟囱,其竖直部分高为1.5m,水平部分长15m。求烟囱的平均壁温为 110 时,对流散热量。,40,例5-8 室温为10的大房间中有一个直径为10cm的烟囱,其竖直部分高为1.5m,水平部分长15m。求烟囱的平均壁温为 110 时,对流散热量。,解:定性温度,由附录(p187)查得,

15、60 时空气的物性,(1)烟囱竖直部分的散热,41,由前表知,42,(2)烟筒水平部分的散热,所以,43,夹层内流体的流动,主要取决于以夹层厚度为特征长度的Gr数。,计算采用书上推荐的实验关联式,二、有限空间自然对流换热的实验关联式,44,例5-9 一个竖封闭夹层,两壁由边长为0.5m的方形壁组成,两壁间距为15mm,温度分别为100 ,40 。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。,45,例5-9 一个竖封闭夹层,两壁由边长为0.5m的方形壁组成,两壁间距为15mm,温度分别为100 ,40 。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。,解:定性温度为两壁的平均温度,从附录查得空气物性为,对于空

16、气:,46,按式5-42计算,即,所以,自然对流换热量按牛顿冷却公式计算,47,一、影响强制对流换热的因素,1. 层流与紊流 Re104 旺盛紊流,5-6 内部流动强制对流换热实验关联式,48,2. 入口段的影响,流体进入管中,便形成边界层,其厚度从o点处逐渐增大,直至汇合,汇合点将管流分为两段,即入口段和充分发展段。,充分发展段:沿管长截面上的速度分布不变的管段,也叫定性段。,49,Laminar flow 随着流动方向而增加,Turbulent flow 开始同层流,进入紊流后,非定性段:截面上的速度分布随管长而变化的。 在入口段,局部对流换热系数随流动方向而变化。如上图所示。,50,其中,流体被加热 流体被冷却,特征尺寸,圆管内径,定性温度,适用范围,充分发展段,气体 水 油,(Dittus-Boelter公式),二、圆管内紊流换热实验关联式,1. 中温以下温差的

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