《传热学》-第五章对流传热理论基础课件.ppt
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- 传热学 第五 对流 传热 理论基础 课件
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1、第五章 对流换热1第五章第五章 对流换热对流换热Convection Heat Transfer第五章 对流换热25-1 对流换热概述对流换热概述1 对流换热的定义和性质对流换热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象热量传递现象 对流换热实例:对流换热实例:1)暖气管道暖气管道;2)电子器件冷却;电子器件冷却;3)电电 风扇风扇 对流换热与热对流不同,既有热对流,也有导热;不对流换热与热对流不同,既有热对流,也有导热;不 是基本传热方式是基本传热方式定义定义:性质:性质:第五章 对流换热3(1)导热与热对流同时存在
2、的复杂热传递过程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;必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响,紧由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响,紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2 对流换热的特点对流换热的特点3 对流换热的基本计算式对流换热的基本计算式W )(tthAw2mW )(fwtthAq牛顿冷却式牛顿冷却式:第五章 对流换热44 表面传热系数(对流换热系数表面传热系数(对流换热系数)当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面度时
3、、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量积上、单位时间内所传递的热量)(ttAhwC)(mW2 如何确定如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题及增强换热的措施是对流换热的核心问题研究对流换热的方法:研究对流换热的方法:(1)分析法)分析法 (2)实验法)实验法 (3)比拟法)比拟法 (4)数值法)数值法第五章 对流换热55 5 对流换热的影响因素对流换热的影响因素其影响因素主要有以下五个方面:(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何条件;(5)流体的热物理性质以流体外掠平板为例:我们所要得到的是:(1)当地热流密度和总的换热量()()1()()wwww
4、wwwAAwwwAwwwqh ttqdAtthdAttAhdAAhA tt 第五章 对流换热6(2)平均对流换热系数(3)对流换热过程的微分方程式)C(mW 2,xwwxyttth1wwAwhhdAA若势流只沿单方向进行,则可写为:01LhhdxL第五章 对流换热7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、表面粗糙度等速度场和温度场由对流换热微分方程组确定:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程xwwxyttth,对流换热过程的微分方程式对流换热过程的微分方程式hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度第五章 对流换热86 6 对流换热的分类:对
5、流换热的分类:(1)(1)流动起因流动起因自然对流: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 自然强制hh第五章 对流换热9(2)(2)流动状态流动状态层流湍流hh层流:整个流场呈一簇互相平行的流线湍流:流体质点做复杂无规则的运动第五章 对流换热10(3)(3)流体有无相变流体有无相变单相相变hh单相换热:单相换热:相变换热:相变换热:凝结、沸腾凝结、沸腾、升华、凝固、融化等、升华、凝固、融化等内部流动对流换热:管内或槽内外部流动对流换热:外掠平板、圆管、管束(4)(4)换热表面的几何因素:换热表面的几何因素:第五章 对流换热11
6、(5)流体的热物理性质:流体的热物理性质:热导率热导率 C)(mW 密度密度 mkg 3比热容比热容 C)(kgJ c动力粘度动力粘度msN 2运动粘度运动粘度 sm 2体胀系数体胀系数 K1 ppTTvv11自然对流换热增强 h)(多能量单位体积流体能携带更、hc)(热对流有碍流体流动、不利于 h)(间导热热阻小流体内部和流体与壁面综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:),(lcttvfhpfw第五章 对流换热12综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:),(lcttvfhpfw第五章 对流换热13对流换热分类
7、小结对流换热分类小结如习题如习题(1-3)第五章 对流换热147 如何从解得的温度场来计算表面传热系数如何从解得的温度场来计算表面传热系数-对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式当粘性流体在壁面上流动当粘性流体在壁面上流动时,由于粘性的作用,流时,由于粘性的作用,流体的流速在靠近壁面处随体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐离壁面的距离的缩短而逐渐降低;在贴壁处被滞止,渐降低;在贴壁处被滞止,处于无滑移状态(即: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在这极薄的贴壁流体层中,热量只能以导热方式传递根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:2,mW x
8、wxwytq处流体的温度梯度在坐标流体的热导率,0)(C)(mW ,xytxw第五章 对流换热15根据傅里叶定律:根据傅里叶定律:xwxwytq,根据牛顿冷却公式:根据牛顿冷却公式:2,mW )(-tthqwxxw)CmW 2(处局部表面传热系数壁面xhx由傅里叶定律与牛顿冷却公式:由傅里叶定律与牛顿冷却公式:)C(mW 2,xwwxyttth对流换热过程对流换热过程微分方程式微分方程式第五章 对流换热16温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况(层流或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、表面粗糙度等紊流)、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 速度场和
9、温度场由对流换热微分方程组确定:速度场和温度场由对流换热微分方程组确定:xwwxyttth,对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度第五章 对流换热175-2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述 b)流体为不可压缩的牛顿型流体流体为不可压缩的牛顿型流体为便于分析,只限于分析二维对流换热为便于分析,只限于分析二维对流换热 即:服从牛顿粘性定律的流体;即:服从牛顿粘性定律的流体;而油漆、泥浆等不遵守该定而油漆、泥浆等不遵守该定 律,称非牛顿型流体律,称非牛顿型流体yuc)所有物性参数(所
10、有物性参数(、cp、)为常量)为常量4个未知量个未知量::速度速度 u、v;温度;温度 t;压力;压力 p连续性方程连续性方程(1)、动量方程、动量方程(2)、能量方程、能量方程(3)需要需要4个方程个方程:a)流体为连续性介质流体为连续性介质假设:假设:第五章 对流换热181 质量守恒方程质量守恒方程(连续性方程连续性方程)M 为质量流量为质量流量 kg/s流体的连续流动遵循质量守恒规律流体的连续流动遵循质量守恒规律从流场中从流场中(x,y)处取出边长为处取出边长为 dx、dy 的微元体的微元体udyMx单位时间内、沿单位时间内、沿x轴方向、轴方向、经经x表面流入微元体的质量表面流入微元体的
11、质量dxxMMMxxdxx单位时间内、沿单位时间内、沿x轴方向、经轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量表面流出微元体的质量单位时间内、沿单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量:轴方向流入微元体的净质量:dxdyxudxxMMMxdxxx)(第五章 对流换热19dxxMMxxvdxMyxMudyyyMMdyy第五章 对流换热20单位时间内、沿单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量:轴方向流入微元体的净质量:dxdyyvdyyMMMydyyy)(dxdydxdy)(单位时间内微元体单位时间内微元体内流体质量的变化内流体质量的变化:微元体内流体质量守恒:微元体内流体质量守恒:流入微元体的净
12、质量流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化微元体内流体质量的变化(单位时间内单位时间内)dxdydxdyyvdxdyxu)()(第五章 对流换热21xu)(0)(yv二维连续性方程二维连续性方程xu0yv三维连续性方程三维连续性方程dxdydxdyyvdxdyxu)()(对于二维、稳态流动、密度为常数时:对于二维、稳态流动、密度为常数时:第五章 对流换热222 动量守恒方程动量守恒方程牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律:作用在微元体上各外力的总和等于控作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率制体中流体动量的变化率动量微分方程式描述流体速度场动量微分方程式描述流体速度场作用力作用
13、力=质量质量 加速度(加速度(F=ma)作用力:体积力、表面力作用力:体积力、表面力体积力体积力:重力、离心力、电磁力重力、离心力、电磁力法向应力法向应力 中包括了压力中包括了压力 p 和法和法向粘性应力向粘性应力 ii压力压力 p 和法向粘性应力和法向粘性应力 ii的区别:的区别:a)无论流体流动与否,无论流体流动与否,p 都存在;而都存在;而 ii只存在于流动时只存在于流动时b)同一点处各方向的同一点处各方向的 p 都相同;而都相同;而 ii与表面方向有关与表面方向有关第五章 对流换热23动量微分方程动量微分方程 Navier-Stokes方程(方程(N-S方程)方程)(4)(3)(2)(
14、1)()()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx((1)惯性项(惯性项(ma););(2)体积力;体积力;(3)压强梯度;压强梯度;(4)粘滞力粘滞力对于稳态流动:对于稳态流动:0 0vu;yyxxgFgF ;只有重力场时:只有重力场时:第五章 对流换热24由于质量守恒方程和动量守恒方程在流体力学中已经学习过,所以不再推导,而是直接给出相应的公式,重点推导能量守恒方程1 质量守恒方程(连续性方程)二维、常物性、无内热源、不可压缩的牛顿型流体2 动量守恒方程(4)(3)(2)(1)()()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxu
15、uuyx((1)惯性项(ma);(2)体积力;(3)压强梯度;(4)粘滞力稳态:0 0vu;yyxxgFgF ;自然对流:强制对流时:0yxFF5-2 5-2 对流换热问题的数学描写对流换热问题的数学描写第五章 对流换热25Q导热导热+Q对流对流=U热力学能热力学能 第五章 对流换热26Q导热导热+Q对流对流=U热力学能热力学能 dxdytdxdyxtQ2222y导热单位时间内、沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量:21()()()()2xmininmininpQqhugzqhdyuc t x()xxxx dxxxppQQQQQQQdxdxxxutcdxdyxutctudxdyxx 对流,第
16、五章 对流换热27单位时间内、沿 y 方向热对流传递到微元体的净热量:dydxytvyvtcdydxyvtcdyyQdyyQQQQQppyyyydyyy)(第五章 对流换热28dxdyytvxtucdxdyyvtxutytvxtucdxdyyvtytvcdxdyxutxtucQpppp对流dxdytdxdyxtQ2222y导热ptUc dxdy第五章 对流换热29dxdyytvxtucQp对流dxdytdxdyxtQ2222y导热ptUc dxdyQ导热导热+Q对流对流=U热力学能热力学能 tytvxtutxtcp2222y能量守恒方程能量守恒方程第五章 对流换热30对流换热微分方程组对流换热
17、微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)2222ytxtytvxtutcp)()()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx(xu0yv第五章 对流换热31xwxytth,前面前面4个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却个方程求出温度场之后,可以利用牛顿冷却微分方程:微分方程:计算当地对流换热系数计算当地对流换热系数xh4个方程,个方程,4个未知量个未知量 可求得速度场可求得速度场(u,v)和和温度场温度场(t)以及压力场以及压力场(p),既适用于层流,也适用既适用于层流,也适用于紊流(瞬时值)于紊流(
18、瞬时值)第五章 对流换热323 能量守恒方程能量守恒方程微元体微元体(见图)(见图)的能量守恒:的能量守恒:描述流体温度场描述流体温度场导入与导出的净热量导入与导出的净热量+热对流传递的净热量热对流传递的净热量+内热源发热量内热源发热量 =总能量的增量总能量的增量+对外对外作作膨胀功膨胀功Q=E+W内热源对流导热QQQQ (动能)热力学能K UUEW 体积力体积力(重力重力)作作的功、表面力的功、表面力作作的功的功假设:假设:(1)流体的热物性均为常量,流体不做功)流体的热物性均为常量,流体不做功 (2)流体不可压缩)流体不可压缩(4)无化学反应等内热源)无化学反应等内热源 UK=0、=0 Q
19、内热源内热源=0(3)一般工程问题流速低)一般工程问题流速低 W0第五章 对流换热33Q导热导热+Q对流对流=U热力学能热力学能 dxdytdxdyxtQ2222y导热单位单位时间内、时间内、沿沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量:方向热对流传递到微元体的净热量:dxdyxutcdxxQdxxQQQQQpxxxxdxxx)(单位单位时间内、时间内、沿沿 y 方向热对流传递到微元体的净热量:方向热对流传递到微元体的净热量:dydxyvtcdyyQdyyQQQQQpyyyydyyy)(第五章 对流换热34dxdyytvxtucdxdyyvtxutytvxtucdxdyyvtcdxdyxutcQp
20、ppp)()(对流dxdytdxdyxtQ2222y导热ptUc dxdydtytvxtutxtcp2222y能量守恒方程能量守恒方程第五章 对流换热35对流换热微分方程组对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可常物性、无内热源、二维、不可 压缩牛顿流体压缩牛顿流体)2222ytxtytvxtutcp)()()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx(xu0yv第五章 对流换热364 表面传热系数的确定方法表面传热系数的确定方法(1)微分方程式的数学解法)微分方程式的数学解法a)精确解法()精确解法(分析解):根据边界层理论,得到分析解):根据边界
21、层理论,得到 边界层微分方程组边界层微分方程组 常微分方程常微分方程 求解求解b)近似积分法)近似积分法:假设边界层内的速度分布和温度分布,解积分方程假设边界层内的速度分布和温度分布,解积分方程c)数值解法:近年来发展迅速)数值解法:近年来发展迅速 可求解很复杂问题:三维、紊流、变物性、超音速可求解很复杂问题:三维、紊流、变物性、超音速(2)动量传递和热量传递的类比法)动量传递和热量传递的类比法利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律,由湍流时利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律,由湍流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数(3)实验法)实验法 用相似理
22、论指导用相似理论指导第五章 对流换热375 对流换热过程的单值性条件对流换热过程的单值性条件单值性条件单值性条件:能单值地反映对流换热过程特点的条件能单值地反映对流换热过程特点的条件单值性条件包括四项:几何、物理、时间、边界单值性条件包括四项:几何、物理、时间、边界完整数学描述:对流换热微分方程组完整数学描述:对流换热微分方程组+单值性条件单值性条件(1)几何条件几何条件平板、圆管;竖直圆管、水平圆管;长度、直径等平板、圆管;竖直圆管、水平圆管;长度、直径等说明对流换热过程中的几何形状和大小说明对流换热过程中的几何形状和大小(2)物理条件物理条件如:物性参数如:物性参数 、c 和和 的数值,是
23、否随温的数值,是否随温 度和压力变化;有无内热源、大小和分布度和压力变化;有无内热源、大小和分布说明对流换热过程的物理特征说明对流换热过程的物理特征(3)时间条件时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件 与时间无关与时间无关说明在时间上对流换热过程的特点说明在时间上对流换热过程的特点第五章 对流换热38(4)边界条件边界条件说明对流换热过程的边界特点说明对流换热过程的边界特点边界条件可分为二类:第一类、第二类边界条件边界条件可分为二类:第一类、第二类边界条件a 第一类边界条件第一类边界条件 已知任一瞬间对流换热过程边界上的已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值温度值
24、b 第二类边界条件第二类边界条件已知任一瞬间对流换热过程边界上的已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值热流密度值第五章 对流换热39作业:作业:5-3 5-7第五章 对流换热40(b)()2222yuxuxpyuvxuu((c)()2222yvxvypyvvxvu((a)0yvxu2222ytxtytvxtucp涉及变量:u,v,t,p,x,y,t,cp第五章 对流换热415-1 5-1 对流换热概说对流换热概说Quick Review:1 对流换热的定义、性质和目的 2 对流换热的特点 3 对流换热的基本计算式 4 表面传热系数 5 对流换热的影响因素 6 对流换热的分类 7 对流换热的
25、微分方程式第五章 对流换热425-2 5-2 对流换热问题的数学描写对流换热问题的数学描写Quick Review:(b)()2222yuxuxpyuvxuu((c)()2222yvxvypyvvxvu((a)0yvxu2222ytxtytvxtucp第五章 对流换热435-3 边界层概念及边界层换热微分方程组边界层概念及边界层换热微分方程组边界层概念:边界层概念:当粘性流体流过物体表面时,会形成速度梯当粘性流体流过物体表面时,会形成速度梯度很大的度很大的流动边界层流动边界层;当壁面与流体间有温差时,也会产;当壁面与流体间有温差时,也会产生温度梯度很大的生温度梯度很大的温度边界层温度边界层(或
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