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1、6-5 大空间与有限空间内自然对流传热大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式的实验关联式自然对流自然对流不不依依靠靠泵泵或或风风机机等等外外力力推推动动，由由流流体体自自身身温温度度场场的的不均匀不均匀所引起的流动。所引起的流动。不不均均匀匀温温度度场场造造成成了了不不均均匀匀密密度度场场，由由此此产产生生的的浮升力浮升力成为运动的动力。成为运动的动力。在在各各种种对对流流传传热热方方式式中中，自自然然对对流流传传热热的的热热流流密密度最低度最低。固有的特点固有的特点安全安全、经济经济、无噪声无噪声1 精品PPT 自然对流传热自然对流传热则是流体与固体壁面之间因温度不则是流体与固体壁面之间
2、因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。同引起的自然对流时发生的热量交换过程。（1）竖板（竖管）竖板（竖管）（3）水平板）水平板（2）水平管）水平管（4）竖直夹层）竖直夹层（5）横圆管内侧）横圆管内侧2 精品PPT 在在自自然然界界、现现实实生生活活、工工程程上上，物物体体的的自自然然冷冷却却或或加加热热都都是是以以自自然然对对流流传传热热的的方方式式实实现现的。的。 3 精品PPT 一、自然对流传热现象的特点一、自然对流传热现象的特点 以竖直平板在空气中自然冷却过程进行分析。以竖直平板在空气中自然冷却过程进行分析。薄层内的速度分布则有两头薄层内的速度分布则有两头小中间大的特点。小中间大
3、的特点。壁壁面面处处由由于于粘粘性性作作用用速速度度为为零零，在在薄薄层层外外缘缘，由由于于温温度度已均匀，速度也等于零。已均匀，速度也等于零。在在偏偏近近热热壁壁处处速速度度有有一一个个峰峰值值边界层速度分布曲线边界层速度分布曲线边界层温度分布曲线边界层温度分布曲线tx0y这这种种流流体体速速度度变变化化的的区区域域相相对对于于流流体体沿沿着着平平板板上上升升方方向向（图图中中的的x x方方向向）的的尺尺度度是是很很薄薄的的，因因而而可可以以称称之之为自然对流的为自然对流的速度边界层速度边界层。 tw4 精品PPT 与与速速度度边边界界层层同同时时存存在在的的还还有有温温度度发发生生显显著著
4、变变化化的的薄薄层层，也也就就是是温温度度从从t tw w逐逐步步变变化化到到环环境境温温度度t t热边界层。热边界层。 热热边边界界层层的的厚厚度度也也是是随随着着流流动动方方向向上上尺尺寸寸(x)的的增增大大而而逐逐渐渐增增大大，因因而而竖竖直直平平板板的的换换热热性性能能也也就就会会从从平平板板底底部部开开始始随随着着x的的增增大大而而逐逐渐渐减弱。减弱。 边界层速度分布曲线边界层速度分布曲线边界层温度分布曲线边界层温度分布曲线tx0ytw5 精品PPT 从从竖竖直直平平板板的的底底部部开开始始发发展展的的自自然然对对流流边边界界层层，除除边边界界层层厚厚度度逐逐步步增增大大之之外外，其
5、其边边界界层层中中的的惯惯性性力力相相对对于于黏黏性性力力也也会会逐逐步步增增大大，从从而而导导致致边边界界层层中中的的流流动动失失去去稳稳定定，而而由由层层流流流流动动变变化化到到紊紊流流流流动。动。如如受受迫迫对对流流的的边边界界层层从从层层流流变变为为紊紊流流取取决决于于无无量量纲纲准准则则雷雷诺诺数数Re一一样样，自自然然对对流流边边界界层层从从层层流流变变为为紊紊流也取决于一个流也取决于一个无量纲准则数无量纲准则数格拉晓夫数格拉晓夫数Gr。 紊流流动状态紊流流动状态层流流动状态层流流动状态x0y6 精品PPT 自然对流的流动特征自然对流的流动特征热竖壁为例：热竖壁为例：温度和速度分布
6、温度和速度分布温度不均温度不均密度不均密度不均速度分布速度分布 (1)不均匀的温度场只是在壁面附近的不均匀的温度场只是在壁面附近的薄层内。薄层内。(2)速度场先增大后减小，与温度场的速度场先增大后减小，与温度场的边界层基本重合。边界层基本重合。(3) 流动状态也有层流和湍流之分。流动状态也有层流和湍流之分。(4) 局部表面传热系数的变化如图所示。局部表面传热系数的变化如图所示。7 精品PPT 二、二、 自然对流传热的控制方程自然对流传热的控制方程 大大空空间间条条件件下下的的竖竖板板自自然然对对流流换换热热是是属属于于边边界界层层流流动动换换热热的的类类型型。前前面面导导出出的的边边界界层层流
7、流动动换换热热的的微微分分方程组在这里也应该是适用的。方程组在这里也应该是适用的。 自然对流换热的微分方程组的形式如下：自然对流换热的微分方程组的形式如下： 8 精品PPT 式中式中动动量量方方程程中中的的压压力力梯梯度度，按按其其在在y方方向向上上变变化化的特征，在边界层外部可以求出的特征，在边界层外部可以求出于是动量方程变为于是动量方程变为为为了了将将方方程程中中的的密密度度差差用用温温度度差差来来表表示示，引引入体积膨胀系数入体积膨胀系数 9 精品PPT 体积膨胀系数对于理想气体为其体积膨胀系数对于理想气体为其绝对温度值的绝对温度值的倒数倒数，即，即v=1/T，大多数一般，大多数一般气体
8、气体可利用此式。可利用此式。 10 精品PPT 9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022/4/122022/4/12Tuesday, April 12, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022/4/122022/4/122022/4/124/12/2022 9:47:23 PM11、人总是珍惜为得到。2022/4/122022/4/122022/4/12Apr-2212-Apr-2212、人乱于心，不宽余请。2022/4/122022/4/122022/4/12Tuesday, April 12, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022/4/122022/4
9、/122022/4/122022/4/124/12/202214、抱最大的希望，作最大的努力。12四月20222022/4/122022/4/122022/4/1215、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。四月222022/4/122022/4/122022/4/124/12/202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022/4/122022/4/1212 April 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2022/4/122022/4/122022/4/122022/4/12三、三、 大空间与有限空间自然对流换热的实验关联式大空间与有限空间自然对流换热的实验关联式均匀壁温下的
10、准则方程式：均匀壁温下的准则方程式： （6-37） 式中式中 C、n查表（查表（6-10） 格拉晓夫准则格拉晓夫准则 （6-34） 体积膨胀系数（体积膨胀系数（ ），）， 理想气体有理想气体有 定性温度：定性温度： 特征长度：特征长度： 竖壁或竖圆柱的高度竖壁或竖圆柱的高度 d 水平放置圆柱（横圆柱）的外径水平放置圆柱（横圆柱）的外径 水平壁的长度水平壁的长度 使用范围：使用范围： 决定量见决定量见表表6-1012 精品PPT 9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022/4/122022/4/12Tuesday, April 12, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022/4
11、/122022/4/122022/4/124/12/2022 9:47:23 PM11、人总是珍惜为得到。2022/4/122022/4/122022/4/12Apr-2212-Apr-2212、人乱于心，不宽余请。2022/4/122022/4/122022/4/12Tuesday, April 12, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022/4/122022/4/122022/4/122022/4/124/12/202214、抱最大的希望，作最大的努力。12四月20222022/4/122022/4/122022/4/1215、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。四月222
12、022/4/122022/4/122022/4/124/12/202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022/4/122022/4/1212 April 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2022/4/122022/4/122022/4/122022/4/121、给定常壁温、给定常壁温 用式（用式（6-37）式中）式中C、n查表查表6-10 说明：（说明：（1）竖圆柱）竖圆柱 限制限制d不能相对太细，不能相对太细， 否则边界层与直径相比不能忽视！否则边界层与直径相比不能忽视！（2）液体换热温差大时，用式）液体换热温差大时，用式2、给定常热流密度、给定常热流密度q未知未知未
13、知未知 引入新的准则数引入新的准则数 准则方程准则方程（6-38） 物性修正因子物性修正因子 （6-43） （6-44） 平板的平板的B、m见见表表 （6-11） 15 精品PPT 四、有限空间自然对流换热的实验关联式四、有限空间自然对流换热的实验关联式1、准则方程一般形式、准则方程一般形式这里：这里： 特征长度特征长度： 定性温度定性温度： ， 17 精品PPT 2、实验关联式、实验关联式 （1）竖空气夹层（常壁温）竖空气夹层（常壁温）（6-46a） 适用范围：适用范围： （6-46b） 适用范围：适用范围： 18 精品PPT （2）水平空气夹层（常壁温）水平空气夹层（常壁温） （6-47a
14、） 适用范围：适用范围： 与 无关 （6-47b） 适用范围：适用范围： 19 精品PPT 对流换热计算的一般步骤：对流换热计算的一般步骤：1、首先判断是哪一类换热；（强制对流、首先判断是哪一类换热；（强制对流or自然对自然对流？圆管流？圆管or平板？管内平板？管内or管外？横掠管外？横掠or纵掠？）纵掠？）2、正确选定定性温度和特征尺寸、特征流速；、正确选定定性温度和特征尺寸、特征流速；3、判断流动的状态，、判断流动的状态， （计算（计算Re准则数）；准则数）；4、计算已定准则数，根据范围确定具体关联式；、计算已定准则数，根据范围确定具体关联式；并计算出最终结果：计算并计算出最终结果：计算N
15、uh q。20 精品PPT 谢谢观看谢谢观看！ 刘观林，刘泰岳，肖宇阳21 精品PPT 9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。12-4月-2212-4月-22Tuesday, April 12, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。*4/12/2022 9:47:25 PM11、人总是珍惜为得到。12-4月-22*Apr-2212-Apr-2212、人乱于心，不宽余请。*Tuesday, April 12, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。12-4月-2212-4月-22*12 April 202214、抱最大的希望，作最大的努力。12四月2022*12-4月-2215、
16、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。四月22*12-4月-22*12 April 202216、业余生活要有意义，不要越轨。*4/12/202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。*12-4月-22谢谢大家谢谢大家22 精品PPT 9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022/4/122022/4/12Tuesday, April 12, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022/4/122022/4/122022/4/124/12/2022 9:47:25 PM11、人总是珍惜为得到。2022/4/122022/4/122022/4/12Apr-2212-Apr-2212、人乱于心，不宽余请。2022/4/122022/4/122022/4/12Tuesday, April 12, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022/4/122022/4/122022/4/122022/4/124/12/202214、抱最大的希望，作最大的努力。12四月20222022/4/122022/4/122022/4/1215、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。四
