《对流传热理论基础2015简化版幻灯片》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对流传热理论基础2015简化版幻灯片（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、传热学 Heat transfer,对流换热(Convection heat transfer),第五章 对流换热的理论基础,5.1 对流换热概述5.2 换热过程的数学描写5.3 边界层理论5.4 外掠平板传热层流分析解,5.1 对流换热概述,流体与固体壁面间存在相对运动，且两者之间存在温度差时所发生的热量传递现象。,定义,基本计算式,或,【1】流体与壁面间热量传递通过壁面上的流体沿壁面法线方 向导热而实现。,对流换热特征,【2】在垂直于壁面的方向上,y,y,流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值；,流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。,以传导方式进入元体的热流量,以对流方式进入元
2、体的热流量,【3】对流换热过程受到对流作用与扩散作用双重控制。,5.1.2 影响对流换热的因素,流动起因,流动状态,换热表面的几何因素,流体有无相变,流体物理性质,密度、动力粘度、导热系数、定压比热容cp等,5.1.3 对流换热系数方程,qcond,qconv,对流换热系数,*对流换热研究最终归结于确定h的研究。,流体温度变化率,5.1.3 对流换热的分类,对流换热,内部流动,外部流动,圆管内,非圆管内,外掠平板,外掠单管,外掠管束,夹层空间,大空间沸腾,管内沸腾,（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法,5.1.3 对流换热的研究方法,5.2 换热过程的数学描写,【1】二维连续
3、流动；【2】不可压缩的牛顿型流体；【3】常物性参数，无内热源；【4】忽略粘性耗散热,前提假设,求解参数,u、v； t； p；h,控制方程,【1】连续性方程【2】动量方程【3】能量方程,对流换热系数方程,单值性条件,理论核心：质量守恒（mass balance）。,5.2.1 连续性方程,流入微元体的净质量流量 = 微元体内流体质量随时间的变化率,dx,dy,x,y,连续性方程,引申思考：二维、稳定、常物性流场连续性方程？,理论核心 能量守恒,净导热量+热对流传递的净热量=系统总能量的增量,5.2.2 能量微分方程,假设：（1）忽略机械能变化；（2）流体不作功；,非稳态项,热对流项,热扩散项,当
4、流体不流动时,固体中的热传导过程是介质中传热过程的一个特例。,讨论,稳态对流换热,5.2.3 动量微分方程（N-S方程）,牛顿第二运动定律：作用在微元体上各外力的总和=控制体中流体动量的变化率,理论核心动量守恒,作用力 = 质量 加速度（F=ma）,在x方向上,惯性力项,体积力项,压力项,粘性力项,在y方向上,还可以写做,对于稳态流动,只有重力场时,5.2.4 对流换热完整数学表述,二维、常物性、无内热源、不可压缩、无耗散、牛顿流体,控制方程,对流换热系数方程,单值性条件,引申思考：对对流换热而言，最关心的流场区域是哪个区域？,第一类边界条件：,第二类边界条件：,几何条件、物理条件、初始条件、
5、边界条件,速度、压力、传热,近壁面区,5.3 边界层理论,y,y,u,t,twt,速度边界层,q,热边界层,5.3.1 边界层概述,垂直于壁面的方向上流速发生显著变化的流体薄层。,u,y,x,(x),u=0.99u,外掠平板,边界层流动区,主流区,速度边界层（Velocity boundary layer）,温度边界层（ Thermal boundary layer ）,垂直于壁面的方向上温度发生显著变化的流体薄层。,t,y,x,t,t(x),外掠平板,热边界层区,twt,u,t,y,x,twt,速度边界层与温度边界层的关系,外掠平板层流流动,表征动量扩散特性,表征热量扩散特性,边界层内流动状
6、态,u,外掠平板,流动边界层区,层流,过渡流,旺盛湍流,xc,u,黏性底层,过渡层,湍流区,边界层特点,1 (x)x; t(x)x,2沿壁面法线方向速度和温度变化剧烈。,引申思考：引入边界层理论的意义？,缩小计算区域；利用边界层的特点简化数学模型。,【例】如下对流换热情况下，边界层如何发展和界定？,5.3.2 边界层对流换热微分方程组,数量级分析（order of magnitude ）原理：比较方程中各量或各项的量级的相对大小；保留量级较大的量或项；舍去那些量级小的项，以实现方程合理简化。,物理量的数量级,研究对象：流体外掠物体运动（二维、常物性、无内热源、不可压缩、无耗散、牛顿流体）,边界
7、层内数量级分析,稳态,考虑数量级,忽略体积力,边界层控制方程的简化,边界层对流换热微分方程组,边界层类型问题核心特点：主流方向上的二阶导数可忽略。,控制方程,伯努利方程微分式,对流换热系数方程,【例】利用数量级分析方法，对流体外掠平板层流流动，从动量微分方程导出边界层厚度变换关系式,【问题分析】,数量级关系,连续性方程：,动量方程：,未确定,假设条件 二维、稳态、常物性、不可压缩、不计重力、无内热源、无粘性耗散、牛顿流体的外掠等温平板强制换热,5.4 强迫流动层流分析解,Re5105,控制方程边界条件对流换热系数方程,边界层内,动量方程,能量方程,对流项,扩散项,离开前缘x处的边界层厚度速度与温度边界层厚度之比对流换热系数对流传热准则方程,分析解,公式汇总参见P220 表5-2,对流传热根本任务：准则方程的获得,例题,两无限大平行平板，问题描述如图所示，常物性流体，假定流动已充分发展，试分析流动传热特征。,分析：,控制方程边界条件,数学模型,若压力梯度为零,库埃特流,控制方程边界条件,数学模型,求解结果,作业：复习题：2、3、4习题：5-1，5-2，5-10,
