传热学第五章对流传热的理论基础课件.ppt

* 第五章 对流传热的理论基础 5.1 对流传热概述 1. 对流传热的定义、研究对象 流体流过固体表面时，流体与固体之间的热量传递。 工程上约定的计算习惯： h为对流传热系数或表面传热系数，单位为W/(m2.K)，不是流体的属性，而是为方便工程计算而定义的参数。 普朗特边界层理论：粘性流体流过固体表面时，粘滞性起作用的区域仅仅局限在靠近壁面的薄层内。 流体流过固体表面时，。。。 2. 对流传热系数 由傅里叶定律： 对流传热的定义式： 在边界层不脱落的前提下： hx 取决于流体热导系数、传热温度差和贴壁流体的温度梯度 温度梯度由边界层的温度场确定，温度场取决于其流场，即取决于流体热物性、流动状况、流速及其分布、表面粗糙度。 u∞ ; t ∞ t w 3. 对流传热系数的主要影响因素 流动的动力（强制对流传热，自然对流传热）； 流动状态（层流，湍流）; (3) 流体的热物理性质 ； (4) 流体有无相变; (5) 换热表面的几何因素（管内强制对流，外掠圆管对流）。 4. 对流传热的物理机制 几种说法： （1）对流传热是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程; （2）对流传热的本质是导热； （3）对流传热的物理机制是边界层。 理解：紧贴固体表面的流体薄层，为边界层的底层，它与固体表面间没有相对运动，热量只能通过导热的方式由流体传递给固体（或由固体传递给流体），而边界层本身的特征却受到对流的影响。 5.2 对流换热传热问题的数学描写 1. 运动流体的能量守恒方程（二维对流换热） 关于上述方程的几点说明： （1）方程由非稳态项、对流项、扩散项组成； （2）运动流体的能量守恒方程中引入了流场变量 。 （3）导热能量守恒方程： （4）流体中有内热源： 2. Navier-Stokes方程（1820年~1850年） 4个方程，4个未知量: 速度 u、v；温度 t；压力 p； 求解出温度场后，即可以根据 求得表面传热系数。但是，当时人们无法求解N-S方程。 直到1904年-1908年，普朗特提出边界层理论。。。 控制方程 3. 速度边界层的理论（回忆流体力学知识） 边界层理论是在研究流体流过固体表面时阻力特性的问题时提出。 研究背景 阻力特性在工业设计中的应用举例 流线型设计 流动边界层：在固体表面附近流体速度发生剧烈变化的薄层；特征: (1)薄；(2)沿平板长度层流过渡到湍流。 普朗特边界层方程（1904年提出） 由于 N-S方程 上述方程可解。普朗特的学生布拉休斯成功求解了边界层方程（1908年），得到边界层内速度场。已知速度场后，便可求得边界层的厚度、局部阻力等。最终得到如下结果： 层流： x为当前点与板前缘的距离。 上述理论解与实验值吻合。 普朗特边界层理论在流体力学发展史上具有划时代的意义！ 5.3 流体外掠等温平板传热的理论分析 厚度?t 范围 — 热边界层或温度边界层 ?t — 热边界层厚度 当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边界层（热边界层， thermal boundary layer ） 1. 流体外掠等温平板的传热—层流问题分析 根据边界层理论简化的对流传热问题 对于主流场均速 、均温 ，并给定恒定壁温的情况下的流体纵掠平板换热，即边界条件为 求解上述方程组(层流边界层对流换热微分方程组)，得到温度场后，可得局部表面传热系数 的表达式 注意：层流 ? ? ? ? x为当前点与板前缘的距离。 上述理论解与实验值吻合。 （1）局部对流传热系数，平均对流传热系数 局部对流传热系数 平均对流传热系数（边界层完全处于层流状态） x为平板长度。 x为当前点与板前缘的距离。 2. 对于外掠平板层流分析解的几个讨论 （2）实验测定平均对流传热系数 ? ? ? ? 特征数方程 或准则方程 式中： 努塞尔(Nusselt)数 雷诺(Reynolds)数 普朗特数 注意：特征尺度为当地坐标x 准则方程的适用条件：外掠等温平板、无内热源、层流 （3）特征数方程 特征数方程中的 几位人物 （4）? 与 ?t 之间的关系及 Pr 对于外掠平板的层流流动: 此时动量方程与能量方程的形式完全一致: 表明：此情况下动量传递与热量传递规律相似 特别地：对于 ? = a 的流体（Pr =1），速度场与无量纲温度场将完全相似，表示流动边界层和温度边界层的厚度相同。 Pr：表征流动边界层与热边界层的大小，反映了流体中动量扩散与热扩散能力的对比。 （5）理论分析解的适用条件 外掠等温平板、层流、无内热源 详细见P221，表5-2 能够得到理论解的对流传热问题非常少。试验是不可