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1、,第五章 对流换热,Convection Heat Transfer,5-1 对流换热概述,1、对流换热的定义和性质,对流换热流体流经固体时，流体与固体表面之间的热量传递现象, 对流换热实例：1) 暖气管道； 2) 电子器件冷却； 3) 电风扇, 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式,2018/8/27 - 2 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,对流由于宏观运动，冷、热流体各部分相互掺混所导致的热量传递过程,(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧
2、贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层,2、对流换热的特点,3、对流换热的基本计算式,牛顿冷却公式:,2018/8/27 - 3 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,4、表面传热系数（对流换热系数）, 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量,如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题。,2018/8/27 - 4 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,5、对流换热的影响因素,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。影响对流换热的因素就是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素，归纳起来主要有以下五个方面： (1) 流动起因; (2) 流
3、动状态; (3) 流体有无相变; (4) 换热表面的几何因素; (5) 流体的热物理性质,6、对流换热的分类：,(1) 流动起因,自然对流：流体因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：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动,2018/8/27 - 5 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,(2) 流动状态,层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminar flow）,湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流） （Turbulent flow）,(3) 流体有无相变,单相换热 （Single phase heat transfer） ：,相变换热(Phase chan
4、ge)：凝结(Condensation)、 沸腾(Boiling)、升华(sublimation)、 凝固(coagulation)、 融化(thaw),2018/8/27 - 6 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,(4) 换热表面的几何因素：,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,显热的变化,潜热的变化,换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置、换热表面的状况(光滑&粗糙),(5) 流体的热物理性质：,热导率:,密度：,比热容:,动力粘度：,2018/8/27 - 7 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,（单位体积流体能携带更多能量
5、）,、,h,c,r,综合以上可见h是众多因素的函数：,对流换热分类树,2018/8/27 - 8 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,2018/8/27 - 9 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,研究对流换热的方法：解析法； 实验法； 比拟法； 数值法,7、对流换热的研究方法,（1）分析法(analytical method)：对描述某一类对流换热的问题的偏微分方程及相应的定解条件进行解析求解，获得对应的速度场和温度场的方法。只能对个别简单的对流换热问题进行求解 （2）实验法(experimental method)：通过实验获得表面对流换热系数的方式。目前工程设计的主要依据，在
6、相似原理指导下进行试验 （3）比拟法(analogy method)：通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，建立其表面对流换热系数与阻力系数间的相互关系。在传热学发展的早期曾广泛用来获得湍流换热的计算式 （4）数值法(numerical method)：计算传热学在近30年内得到迅速发展，将日益显示出其重要作用,8、如何从解得温度场计算对流换热系数,根据傅里叶定律：,2018/8/27 - 10 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,根据傅里叶定律：,根据牛顿冷却公式：,由傅里叶定律与牛顿冷却公式：,对流换热过程微分方程式,2018/8/27 - 11 -,第5章 对流换热5-1 对
7、流换热概述,h 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度,温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 温度场取决于流场,质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程,对流换热过程微分方程式:,2018/8/27 - 12 -,第5章 对流换热5-1 对流换热概述,第一类边界条件：壁面温度已知，需求贴壁流体温度梯度,第二类边界条件：壁面热流密度 已知，需求得壁面温度,第三类边界条件：h是已知的。这里h是待求的，是流体的。,第一类、第二类边界条件 流体内温度分布,5-2 对流换热问题的数学描述,4个未知量：速度 u、v ；温度 t ；压力 p,需要
8、4个方程：连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3),a) 流体为连续性介质 b) 流体为不可压缩的牛顿流体 c) 所有物性参数（、c、）为常量 d) 忽略粘性力作功（即忽略粘性耗散产生的耗散热）,假设：,2018/8/27 - 13 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,对于牛顿流体：,1、概述,要求解对流换热需得到速度场和温度场,(1) 质量守恒方程(连续性方程),2018/8/27 - 14 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,质量守恒方程(mass conservation equation)又称为连续性方程(continuity equation)
9、，反映的是物质不生不灭这一最自然的物理定律。它用以描述流体的密度的变化规律。它不需要补充其它任何关系式，也就是说，质量守恒方程是物质不生不灭的最直观体现。,(2) 动量守恒方程(动量方程),动量守恒方程(momentum conservation equation)又简称为动量方程(momentum equation)，反映的是牛顿(Newton)第二定律，即物体在力的作用下作加速运动。具体来说，物体所受的合力等于其质量与加速度的积（F=ma） 。也可以理解为流体微团所受的力等于其动量变化率。因此，只要能求出合力，便可以得到动量守恒方程。,(3) 能量守恒方程(能量方程),能量守恒方程(ene
10、rgy conservation equation)又常简称为能量方程(energy equation)，它是热力学第一定律在流体力学中的应用。能量守恒属于经典的热力学定律。,2018/8/27 - 15 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,2、质量守恒方程(连续性方程),Lagrange法（系统微元）：,物质不生不灭,2018/8/27 - 16 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,Euler法（控制体微元）：,(1) x、y、z方向流入的净流量：,(2) 单位时间内质量的增量：,(3) 依据质量守恒得到：,2018/8/27 - 17 -,第5章 对流换热5
11、-2 对流换热问题的数学描述,连续性方程的表达式：,(1) 矢量形式：,或,(2) 直角坐标系下的表达式：,二维情况：,(4) 不可压缩流：,(3) 稳态：,二维情况：,二维情况：,3、动量守恒方程(动量方程),2018/8/27 - 18 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,Lagrange法（系统微元）： Newton第二定律 （F=ma）,连续性方程,2018/8/27 - 19 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,Euler法（控制体微元）：,因为：,所以：,2018/8/27 - 20 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,直角坐标系下表
12、面力的表示：,2018/8/27 - 21 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,2018/8/27 - 22 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,对于常粘性系数的不可压缩流：,则，,同理，,2018/8/27 - 23 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,动量方程的表达式：,或,或,(1) 矢量形式：,(2) 常粘性系数不可压缩流：,2018/8/27 - 24 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,或,常粘性系数、不可压缩流、直角坐标系下动量方程的表达式：,2018/8/27 - 25 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数
13、学描述,二维情况：,或,常粘性系数、不可压缩流、直角坐标系下动量方程的表达式：,4、能量守恒方程(能量方程),2018/8/27 - 26 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,Euler法（控制体微元）：,由Gauss公式，有,通常把辐射项合并到源项中，得到微分形式的能量方程：,或,4、能量守恒方程(能量方程),2018/8/27 - 27 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,通常把辐射项合并到源项中，得到微分形式的能量方程：,方程两侧点乘以V,2018/8/27 - 28 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,和t都是流体的,书中的推导过程,净的
14、导热量 + 热对流传递的净热量 +内热源发热量 = 总能量的增量 + 对外作膨胀功,Q = E + W,W 体积力(重力)作的功、表面力作的功,假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功,（2）流体不可压缩,（4）无化学反应等内热源,UK=0、=0,Q内热源=0,（3）一般工程问题流速低,W0,2018/8/27 - 29 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,Q导热 + Q对流 = U热力学能,单位时间内、 沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量：,单位时间内、 沿 y 方向热对流传递到微元体的净热量：,2018/8/27 - 30 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,能量守恒方程,2018/8/27 - 31 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,(1) 对于常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体对流传热的完整微分方程组,2018/8/27 - 32 -,第5章 对流换热5-2 对流换热问题的数学描述,4个方程，4个未知量(u、v、p、t) 可求得速度场(u,v)和温度场(t)以及压力场(p), 既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）。前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却公式求取对流换热系数：,5、对流换热问题的完整数学描述,主要是为求取温度分布和速度分布,多个因变量 因变量间耦合,
