第5章对流换热分析1讲.

传热学1第五章对流换热ConvectionHeatTransfer传热学2主要内容对流换热概述对流换热微分方程组边界层换热微分方程组的解边界层换热积分方程组及求解动量传递和热量传递的类比相似理论基础传热学3§5-1对流换热概述1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；不是基本传热方式传热学4传热学5传热学6(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W)(fwtthAΦ2mW)(fwtthAΦq牛顿冷却式:传热学74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))((fwttAΦhC)(mW2如何确定h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：（1）分析法（2）实验法（3）类比法（4）数值法传热学85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。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）作用所产生的流动自然强制hh传热学9(2)流动状态层流湍流hh(3)流体有无相变单相相变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（紊流）（Laminarflow）（Turbulentflow）单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）传热学13(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、管束传热学14(5)流体的热物理性质：导热系数]C)(mW[密度]mkg[3比热容]C)(kgJ[c动力粘度]msN[2运动粘度]sm[2体胀系数]K1[ppTTvv11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传热学15综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：),,,,,,,,u(lcttfhpfw定性温度和定型尺寸：定性温度：为整理数据，一般都要选择某一特征温度以确定物性参数，即在该温度下把物性作为常量处理。定性温度的种类：流体温度、壁表面温度、流体温度与壁面温度的算术平均值。定型尺寸：对换热有决定意义的特征尺寸。传热学16对流换热分类小结传热学17§5-2对流换热微分方程组b)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即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体yuc)所有物性参数（、cp、、μ）为常量5个未知量：表面传热系数h；速度u、v；温度t；压力p对流换热过程微分方程、连续性方程、动量方程（2个）、能量方程需要5个方程:a)流体为连续性介质假设：传热学181对流换热过程微分方程式当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，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根据傅里叶定律：2,mWxwxytq处流体的温度梯度在坐标—流体的热导率,0)(C)(mW,xytxw传热学19根据傅里叶定律：xwxytq,根据牛顿冷却公式：?2mW)(Δth-tthqxxxfwxx)CmW2（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：)C(mW2,xwxxytth对流换热过程微分方程式传热学202.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3.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xwxxytth,分析：对流换热过程微分方程式1.hx取决于流体导热系数、温度差和贴壁流体的温度梯度传热学21求解对流换热问题步骤：（分析解）建立坐标系，建立相应的物理模型；求速度场u和v；求温度场t；求hx。传热学222质量守恒方程(连续性方程)M为质量流量[kg/s]流体的连续流动遵循质量守恒规律从流场中(x,y)处取出边长为dx、dy的微元体dxxMMxxvdxMyxMudyyyMMdyy传热学23udyMx单位时间内、沿x轴方向、经x表面流入微元体的质量dxxMMMxxdxx单位时间内、沿x轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：dxdyxudxxMMMxdxxx)(dxxMMxxvdxMyxMudyyyMMdyy传热学24单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：dxdyyvdyyMMMydyyy)(dxdydxdy)(单位时间内微元体内流体质量的变化:微元体内流体质量守恒：流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化(单位时间内)dxdydxdyyvdxdyxu)()(dxxMMxxvdxMyxMudyyyMMdyy传热学25xu)(0)(yv二维连续性方程xu0yvxu)(yv)(0)(zw三维连续性方程dxdydxdyyvdxdyxu)()(对于二维、稳态流动、密度为常数时：传热学263动量守恒方程（动量微分方程式）牛顿第二运动定律: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动量微分方程式描述流体速度场作用力=质量加速度（F=ma）作用力：体积力、表面力体积力:重力、离心力、电磁力表面力：由黏性引起的切向应力及法向应力、压力传热学27作用力=质量加速度（F=ma）体积力：YdxdyXdxdy表面力：dxdyxydxdyyxxyyyxx)()(Fma：dDUdxdy传热学28动量微分方程—Navier-Stokes方程（N-S方程）(4)(3)(2)(1))())()22222222yvxvypYyvvxvuvyuxuxpXyuvxuuu（（(1)—惯性项（ma）；(2)—体积力；(3)—压强梯度；(4)—粘滞力对于稳态流动：00vu；yxgYgX;只有重力场时：N-S方程适用条件：不可压缩流体的层流运动。传热学294能量守恒方程（能量微分方程）微元体的能量守恒：——描述流体温度场[导入与导出的净热量]+[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内热源对流导热—QQQQ（动能）热力学能—KUUE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、=0Q内热源=0（3）一般工程问题流速低W＝0传热学30Φ导热+Φ热对流=U热力学能dxdytdxdyxt2222y＋导热单位时间内、沿x方向热对流传递到微元体的净热量：dxdyxutcdxxdxxpxxxxdxxx)(单位时间内、沿y方向热对流传递到微元体的净热量：dydxyvtcdyydyypyyyydyyy)(传热学31导热项dxdyytvxtucdxdyyvtxutytvxtucdxdyyvtcdxdyxutcpppp)()(热对流dxdytdxdyxt2222y＋导热ptUcdxdydtytvxtutxtcp2222y＋能量守恒方程热对流项非稳态项传热学32对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)2222ytxtytvxtutcp)())()22222222yvxvypYyvvxvuvyuxuxpXyuvxuuu（（xu0yvxwxxytth,传热学345对流换热微分方程组的求解方法（1）微分方程式的数学解法a）精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到边界层微分方程组常微分方程求解b）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c）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（2）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，由湍流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数（3）实验法传热学356对流换热过程的单值性条件(1)几何条件单值性条件：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、边界完整数学描述：对流换热微分方程组+单值性条件平板、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(2)物理条件如：物性参数、、c和μ的数值，是否随温度和压力变化；有无内热源、大小和分布说明对流换热过程的物理特征(3)时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件—与时间无关说明在时间上对流换热过程的特点传热学36(4)边界条件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a第一类边界条件已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值b第二类边界条件已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值