传输原理教案(第9章)传热

1第九章对流换热p1859.1对流换热基本概念对流换热是指“相对于固体表面流动的”流体与固体表面之间的热量传输。描述：1.对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象。2.它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。3.与流体的流动情况密切相关。4.当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（也有较弱的自然对流）的方式进行。第二篇：热量传输2对流换热与热对流不同，对流换热既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。对流换热实例：暖气管道、风扇对电子器件冷却等……对流换热的特点：(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。第九章对流换热第二篇：热量传输总结：对流换热：导热+热对流；壁面+流动3对流换热的分类：●1.从流动起因分：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（Freeconvection）强制对流：由外力（如：泵、风机）作用所产生的流动（Forcedconvection）第九章对流换热第二篇：热量传输4●2.从换热表面的几何因素分：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●3.从流动状态分：层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。（Laminarflow）湍流：流体质点做复杂无规则的运动。（Turbulentflow）5●4.从流体有无相变分：单相换热：（Singlephaseheattransfer）相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Phasechange）：Condensation、Boiling6789.1.1温度边界层流－固界面对流换热：(1)由于速度边界层的存在，导致温度边界层的产生。(2)温度边界层与速度边界层厚度一般不相等。(3)温度边界层同样有层流与紊流之分。层流：热量传输以传导为主紊流：热量传输以对流为主(4)紊流时，温度边界层在壁面法线上有:层流底层区，过渡区，紊流区三个区域。(5)温度边界层特点：A:较薄。B:沿厚度方向温度变化大。9速度边界层和温度边界层关系：1.既有联系，也有区别。2.温度分布受速度分布的影响，但是它们的分布曲线并不相同。速度边界层厚度和温度边界层厚度不相等。10紊流条件下的温度边界层分为三个区域：（1）紊流区（p186特点）（2）过渡区，（3）层流底层区.119.1.2.牛顿冷却公式（Newton，1702）h——是对流换热系数，是一个把众多影响对流换热因素综合而成的系数。第二篇：热量传输第九章对流换热Ts,Tf分别为璧面温度和流体温度，F是换热面积，h是对流换热系数，Q是热流量，q是热流密度。129.1.3.对流换热系数h的计算式固体壁面处（y=0）,该处的热量传输只有导热。导热速率＝对流换热速率TyyTfTsTyyTh00(9-3)对流换热系数h的计算式，也叫“换热微分方程”139.1.4影响对流换热系数h的因素p187•1流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热cp、导热系数λ、粘度等；•2流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；•3流体的运动状况：层流、过渡流或湍流(Re)；•4流体对流的状况：自然对流，强制对流；•5传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。14注意：1.流体物理性质与温度有关。2.用以确定物性的温度称“定性温度”。3.定性温度的选择方式：a.可以选择流体的平均温度，b.可以选择璧面的平均温度，c.可以选择二者的平均温度：取Tm=0.5(Tf+Ts)159.2对流换热的数学表达p189•由能量守恒定律，有如下关系式：对流输入的热量－对流输出的热量+传导输入的热量－传导输出的热量＝微元体内能的累积量16经推导，最后得到热量平衡方程：（9-5）和（9-6）也叫做傅立叶---克希霍夫方程（F-K方程）222222zTyTxTazTvyTvxTvtTzyx（9-5）TaDtDT2（9-6）实体导数——傅立叶－克希霍夫导热微分方程条件：1)，，，cp均为常数，不可压缩流体。2)无内热源，无粘性耗散。纯固体导热（没有流动）：TatT2（8-10）17柱坐标系下的热量平衡方程：P.191,(9-7)式（×）球坐标系下的热量平衡方程：P.191,(9-8)式（×）222222zTyTxTazTvyTvxTvtTzyx未知数：T，vx,vy,vz引入三个动量平衡（N-S）方程和连续性方程（引入p）再加上对流换热微分方程：观察（9-5）式热量平衡方程18对流换热微分方程组：F-K方程(9-5)式N-S方程(3-47)~(3-49)式连续性方程(3-44)式换热微分方程(9-3)式未知数：T，vx,vy,vz，p，h理论上可以求解。（见P.191）199.3流体流过平板时,层流对流换热p192TyyTh09.3.1.平板边界层对流换热微分方程组(层流，稳定)22yTayTvxTvyx换热微分方程（9-3）F-K方程（9-9）22yvyvvxvvxxyxxN-S方程（3-94）0yvxvyx连续性方程（3-92）边界条件：（平板温度不变）1)y=0时，vx=0,vy=0,T=Ts＝T02)y=时，vx=v,T=T20从方程组看到，导热微分方程和运动微分方程形式一样，板面温度不变时，边界条件也相似。显然，普朗特数/a表达了速度与温度分布的相似性。aPrpca定义——普朗特数(物性准数)pcPr普朗特数Pr表示：动量传输和热量传输能力的相对大小。在边界层理论当中，Pr是速度边界层与温度边界层的相对厚度指标。Pr1，a,TPr＝1，T21方程组精确解(实际包含了近似处理)示于p.194，图9-8。图9-8，各种Pr下的平板上层流边界层内的无量纲温度分布纵坐标—无量纲温度00TTTT横坐标xvy－关系与Pr有关。Pr＝1，温度分布与速度分布规律相同。22气体—Pr数一般为0.6~1，且几乎不随温度变化。一般液体(水，有机液体等)—Pr1(Pr=2~50),T液态金属—Pr1，T23已知温度分布，可以求得对流换热系数hPr≥0.6时，xvxxvhx3/13/1Pr322.0Pr322.0W/m2KW/mK1/mxhxxNu令——局部努塞尔(Nusselt)数2/13/1RePr332.0xxNuLvRe平均对流换热系数LvdxhLhLx3/10Pr664.012/13/1RePr664.0NuLhxvxvxRe24hLLh/1/Nu努塞尔数Nu表达的是同样温度下对流与传导的传热速率之比。导热热阻对流热阻对于液态金属，Pr值小，一般不满足Pr0.6的条件。1)边界条件为均匀壁温——P.194，(9-14)式2)边界条件为均匀壁面热通量Pr0.5时，——(9-15)式0.006Pr0.03时，——(9-16)式259.3.2.平板边界层对流换热积分方程组p195（了解）00)(])([yxTyTadyvTTdxdssTTTT,对于Pr＝/a1，流体温度T，流速v，只考虑y方向上的导热热量积分方程：(9-18)(1)温度分布：令00)(])([yxTyadyvdxd边界条件：00,,02222yTyTsTy时0,yyT时32dycybya若令26得：33223yyTT32123TTyy或(9-20)——温度分布式(2)边界层厚度将上式代回积分方程，并注意到33223yyvvx及1T得Pr11413)(34)(33TTdxdx27解之，得Pr11413433)(CxT由边界条件：x=x0时，T＝0（x0为温度边界层起始位置）得430Pr11413xC434301)(Pr114133xxT23)-(933/1Pr11413Pr1.0261T0,0＝则若x22)-(9)(1)430Pr114133xxT（即28(3)求h由温度分布式(9-20)，代入换热微分方程，得Txh2325)-(93332.043)0(1Prxvhxxx2/13/1RePr332.0xhNuxxxvaRePr29平均换热系数30)-(9Pr664.011/30LvdxhLhLx31)-(9RePr664.02/13/1hLNu30强调:以上结果条件是Pr1及T的层流情况，但一般也可放宽到液态金属以外的层流流体。31对于液态金属：液态金属的h常用Pe表示。Pe—贝克列数。PrReavLavLPePrRexxxaLvPe局部导出热量流体带入热量/LvcavLPepPe大，温度场不稳定，且Pe大，Re大，湍流程度大。329.4圆管内强制层流对流换热p200(×)])(1[22Rrvv1.圆管内速度分布亥根－泊肃叶方程(P.45)2.温度分布T=T(r,z,t)1定义无量纲温度mssTTTT(1)截面上流体混合平均温度2恒壁温或恒热通量条件下，流过一段距离的流体截面上分布不随时间变化，且在不同截面的径向分布相同(不随z改变)，此时称充分发展的温度分布。0z(2)333恒热流条件下，充分发展区：(3))/(0RrRrRRrrTTmTsTqhmTsTTsTrTmsRr——与z无关由(1),(2),(3)式可得，zTzTzTsm(P.201，9-40式)9-40表明：恒定热通量情况下，圆管内层流中充分发展温度区段中流体各点的温度、平均温度，以及壁温都随着Z作线性变化。344建立热量平衡微分方程(9-43)，求解得到温度分布热量平衡zTarTrrrvz1)(1速度分布])(1[22Rrvvzz])(1[2)(2RrvrzTarTrrzzTzTm与r无关，且zv与r无关1242)42(2CRrrvzTarTrzm积分边界条件：0,0rTr时01C35)42(2242RrrvzTarTrzm再积：2242)164(2CRrrvzTaTzm边界条件：sTT,时Rr得：)164(224422RRrRrvzTaTTzmszTaRvTTmzs83200TT,0时r)43(822442RrRrzTaRvTTmzs——温度分布式36平均温度RzRzmdrvTdrvT0202把速度分布式和温度分布式代入，得到：zTaRvTTmzsm24811zTaRvTTzm20487或：(9-47)375由温度分布，代入换热微分方程求h。RhmTsTRrrT18.236.4hDNu或所以，对于壁面恒热流条件下，温度充分发展区段的圆管内层流流体，Nu＝4.36。其它情况，见P.203，表9-1。389.5紊流对流换热（了解）(×)399.6.自然对流换热p2111。自然对流：静止流体接触固体表面，如果两者有温度差，则靠近固体表面的流体中因温度场不均匀，导致密度差的产生，引起自然对流。（一般是在浮力作用下的流体上下相对运动）2。自然对流换热：自然对流下的热量传输过程为自然对流换热。自然