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1、长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering第二部分 对流传热第五章 对流传热的理论基础第六章 单相对流传热的实验关联式第七章 相变对流传热长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering加热蒸汽釜冷凝水物料物料搅拌器夹 套 式 换 热 器长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering 第五章 对流传热原理 （ Convection Heat Transfer ）5-1 对流换热概述5-2
2、对流传热微分方程组5-3 边界层型对流传热问题数学描述5-4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering5-1 对流换热概述一、对流换热的定义和机理定义:流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。是 宏观的热对流和微观的热传导的综合传热过程。机理：既有热对流，也有导热，不是基本的热量 传递方式。长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering对流传热实例：1) 暖气管道;2) 电子器件冷却；3) 电风扇5-1 对流换热概述长江大学机械工程学院 School of Mechanic
3、al Engineering二、影响对流换热的因素5-1 对流换热概述对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方 式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方 面：流动起因; 流动状态; 流体有无相变; 换热表面 的几何因素; 流体的热物理性质。(a) 流动起因自然对流：因流体各部分温度不同而引起的密度差 异所产生的流动。强制对流：因外力（如：泵、风机、水压头）作 用所产生的流动。 长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering1883年, 英国物 理学家雷诺 (Osbone Reynolds):DBAC 墨水流线玻璃管雷诺实验(b) 流动状态5-1 对流
4、换热概述(a)层流(b)过渡流(c)湍流实验现象:长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。湍流(紊流)：流体质点做复杂无规则的运动。（Laminar flow）（Turbulent flow）紊流流动极为普遍。收获季节的麦浪滚滚，旗 帜在微风中轻轻飘扬以及袅袅炊烟都是由空气的紊 流引起的。 5-1 对流换热概述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering(c) 流体有无相变单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固等（Single phase heat transfer）
5、5-1 对流换热概述(d) 壁面的几何形状、大小和位置 内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering5-1 对流换热概述外部流动（a）强迫对流热面朝下（b）自然对流热面朝上内部流动长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering(e) 流体的热物理性质流体内部和流体与壁面间导 热热阻小阻碍流体流动，不利于热对流自然对流换热增强可以携带更多的热量5-1 对流换热概述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering综
6、上所述，表面传热系数是众多因素的函数：5-1 对流换热概述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering5-1 对流换热概述三、对流换热的分类长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering分析解法：采用数学分析求解的方法，有指导意义。比拟法：通过研究热量传递与动量传递的共性，建立 起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多 ，范围很小。实验法：通过大量实验获得表面传热系数的计算公式 ，是目前的主要途径。数值解法：和导热问题数值思想一样，发展迅速，应 用越来越多。四、研究对流换热的方法5-1 对流换热概述长江大学
7、机械工程学院 School of Mechanical Engineering当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流 体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐 渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即： y=0, u=0）在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以 导热方式传递。五、表面传热系数与温度场的关系5-1 对流换热概述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering根据傅里叶定律：根据牛顿冷却公式：对流换热微分方程：它揭示了对流换热问题的本质5-1 对流换热概述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineeri
8、ng例1：温度为80的平板置于来流温度为20的气流中假设平板表面中某点在垂直于壁面方向的温度梯度为40/mm，试确定该处的热流密度。长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering5-2 对流传热问题的数学描述一、描述对流换热的方程组温度场特别是壁面附 近的温度分布温度场 受流场的影响流场连续性方程 质量守恒定律动量方程 动量守恒定律温度场能量方程 能量守恒定律对流换热微分方程式长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering动量守恒方程:能量守恒方程:质量守恒方程:二、二维、常物性、不可压流体对流换热问题 数学描述5
9、-2 对流传热问题的数学描述对流换热微分方程:4个方程，4个未知量 可求得速度 场(u,v)、温度场(t)及压力场(p)， 既适 用于层流，也适用于紊流（瞬时值）长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering三、流体中的能量方程与纯导热微分方程的区别二维、常物性、无内热源的能量微分方程:非稳态项对流项扩散项5-2 对流传热问题的数学描述与纯导热相比增加了对流项长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering5-3 边界层型对流传热问题数学描述普朗特（1875-1953）：德国力学家，现代流体 力学的创始人之一，被誉为
10、“空气动力学之父”。普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作 了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角 度，建立了边界层理论。我国著名流体力学家、力学教育家陆士嘉曾从师于普朗特，钱 学森在美国加州理工学院的导师冯.卡门也是普朗特的学生。边界层理论被广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去，极大地 促进了空气动力学的发展。一、流动边界层长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering一、流动边界层5-3 边界层型对流传热问题数学描述1. 定义：当流体流过固体壁面时,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 化的薄层称为流动边界层或速
11、度边界层。2. 速度边界层厚度 的规定：速度等于99%主流 速度。长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering如：20空气在平板上以16m/s 的速度流动，在1m 处边界层的厚度约为5mm。3. 特点：边界层厚度是比壁面尺度l 小一个数量级 以上的小量。 。 “”“相当于”特征长度：温度：主流速度：5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineeringn连续性方程：5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering
12、n能量微分方程：数量级=5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineeringn动量微分方程： 在边界层内，粘滞力与惯性力数量级相同5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering边界层内任一截面压力p与y无关，即p=p(x)表明：边界层内的压力梯度仅沿x方向变化，而边 界层内法向压力梯度极小。主流压力：5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering于是得到流体平行流过平板边界层
13、换热微分方程组:质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：区别：方程个数减少了一个；动量方程和能量方程 中x方向的二阶导数项略去了。5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering四、普朗特数的物理意义 忽略重力场，压力梯度为零时， 与 t 之间的关系：能量守恒方程:动量守恒方程：动量传递与热量传递规律相似。Pr反映流体的动量扩散能力与其热量扩散能力 的对比关系，也表示流动边界层和温度边界层的相 对厚度。5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineeri
14、ng 当Pr=1时，动量方程与能量方程完全相同，=t; 当Pr1时，Pr= /a， a，粘性扩散热量扩散， 速度边界层厚度温度边界层厚度； 当Pr1tTu5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering根据普朗特数的大小，一般流体可分为三类：（1）高普朗特数流体，如一些油类的流体，在 102103的量级；（2）中等普朗特数的流体,0.710之间，如气体在 0.71.0, 水为0.910；（3）低普朗特数的流体, 如液态金属等，在0.01的量级。5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of
15、Mechanical Engineering（1）上述边界层概念及分析是以沿平板的无界外 部流动为例进行介绍的，内部流动的边界层情况 将有很大的变化，后面会介绍；（2）在平板前缘很短的一段距离内，边界层理论 不适用；（3）若出现边界层脱体，或发生回流情况，边界 层的特性也将改变；（4）对于高普朗特数的油类和低普朗特数的液态 金属，边界层的分析也不适用。五、应用边界层概念应注意的问题5-3 边界层型对流传热问题数学描述长江大学机械工程学院 School of Mechanical Engineering知识总结：一、对流换热的定义及影响因素流动起因; 流动状态; 流体有无相变; 换热表面的几何因素; 流体的热物理性质。二、对流换热微分方程温度场温度场 受流场的影响 速度场、温度场、压力场动量、质量、热量守恒方程方程组过于复杂，引入边界层概念简化最终目的：能够通过简化方程得到分析 解、分析温度场影响因素
