《传热学》杨世铭-陶文铨-第五章对流传热理论基础

第五章对流换热1第五章对流换热ConvectionHeatTransfer第五章对流换热2§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；不是基本传热方式定义:性质：第五章对流换热3(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)(tthAΦw2mW)(fwtthAΦq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）——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))((ttAΦhw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）比拟法（4）数值法第五章对流换热55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()()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(mW2,xwwxyttth1wwAwhhdAA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第五章对流换热9(2)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)流体有无相变单相相变hh单相换热：相变换热：凝结、沸腾、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)换热表面的几何因素：第五章对流换热11(5)流体的热物理性质：热导率]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综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：),,,,,,,,,(Ωlcttvfhpfw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：),,,,,,,,,(Ωlcttvfhpfw第五章对流换热13对流换热分类小结如习题(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--------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,,mWxwxwytq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：xwxwytq,,根据牛顿冷却公式：2,mW)(-tthqwxxw)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,xwwxyttth对流换热过程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17§5-2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、、）为常量4个未知量:：速度u、v；温度t；压力p连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3)需要4个方程:a)流体为连续性介质假设：第五章对流换热181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udyMx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)(第五章对流换热19dxxMMxxvdxMyxMudyyyMMdyy第五章对流换热20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)()(第五章对流换热21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：第五章对流换热222动量守恒方程牛顿第二运动定律: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、电磁力法向应力中包括了压力p和法向粘性应力ii压力p和法向粘性应力ii的区别：a)无论流体流动与否，p都存在；而ii只存在于流动时b)同一点处各方向的p都相同；而ii与表面方向有关第五章对流换热23动量微分方程—Navier-Stokes方程（N-S方程）(4)(3)(2)(1))())()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（（(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；yyxxgFgF;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)xu0yv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))())()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（（(1)—惯性项（ma）；(2)—体积力；(3)—压强梯度；(4)—粘滞力稳态：00vu；yyxxgFgF;自然对流：强制对流时：0yxFF§5-2对流换热问题的数学描写第五章对流换热25Q导热+Q对流=U热力学能第五章对流换热26Q导热+Q对流=U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()()()()2xmininmininpQqhugzqhdyuctx()xxxxdxxxppQQQQQQQdxdxxxutcdxdyxutctudxdyxx对流，第五章对流换热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ptUcdxdy第五章对流换热29dxdyytvxtucQp对流dxdytdxdyxtQ2222y＋导热ptUcdxdyQ导热+Q对流=U热力学能tytvxtutxtcp2222y＋能量守恒方程第五章对流换热30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)())()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（（xu0yv第五章对流换热31xwxytth,前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：计算当地对流换热系数xh4个方程，4个未知量——可求得速度场(u,v)和温度场(t)以及压力场(p),既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）第五章对流换热323能量守恒方程微元体（见图）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第五章对流换热33Q导热+Q对流=U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：dxdyxutcdxxQdxxQQQQQpxxxxdxxx)(单位时间内、沿y方向热对流传递到微元体的净热量：dydxyvtcdyyQdyyQQQQQpyyyydyyy)(第五章对流换热34dxdyytvxtucdxdyyvtxutytvxtucdxdyyvtcdxdyxutcQpppp)()(对流dxdytdxdyxtQ2222y＋导热p