《传热学》习题课(对流换热部分) PPT课件
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高等传热学课件对流换热高等传热学课件对流换热一、概述湍流模型是半阅历、半理论的争论方法,其目的是将湍流的脉动相关项与时均量联系起来,使时均守恒方程封闭。
自1925年Prandtl提出混合长度理论,各国学者对湍流模型进行了大量争论,提出了许多模型。
W.C.Regnolds建议按模型中所包含的微分方程数目进行分类,成为目前适用的湍流模型分类方法。
一般将湍流模型分为:z 零方程模型(代数方程模型)z 一方程模型z 二方程模型z 多方程模型争论(Morkovin 莫尔科文)表明:当M5时,流体的可压缩性对湍流结构不起主导影响,因此我们仅参考不行压缩状况。
依据大量的试验争论结果,湍流边界层对流换热的强弱主要取决在内层区:由相像原理分析得出,Prt近似是一个常数(Prt≈0.9)这样,只要确定了νt,即可简洁地得到αt,所以在介绍湍流模型时,只给出νt或t时均量的关系式。
二、零方程模型(代数方程模型)零方程模型中不包含微分方程,而用代数关系式将νt与时均量关联起来。
Prandtl混合长度理论是最早的代数方程模型。
它适用于:充分进展的湍流剪切流边界层内层,y≤0.2δ。
对外层区,一些学者争论后仍沿用Prandtl混合长度的模型关系式:但,L=λδ(3.7.1)试验常数λ在0.08~0.09之间。
Von Kármán、Deissler、Van Driest、Taylor等人先后提出了更完善的代数方程模型。
(1) Von Kármán模型Von Kármán假设湍流内各点的脉动相像(局部相像),即各点之间只有长度尺度与空间尺度的.差别。
对平行流流场,若对某点(y0处)四周的时均速度进行Taylor开放:(a)若流淌相像,则必有尺度L与速度u0(u0=u(y0))使上式无量纲后成为通用分布。
u(y0)y令 Y=; U(Y)= u0L则有无量纲形式:(b)若上式是相像的通用速度分布,则式中各系数之比应与位置无关,而是一个常数。
2-3 管槽内层流对流换热特征工程上存在大量的管槽内对流换热问题。
本节对管槽内层流强制对流换热的流动与换热特征进行分析。
一、流动特征当流体以截面均匀的流速0u 进入管道后,由于粘性,会在管壁上形成边界层。
边界层内相同r 处的轴向流速随δ的增加而降低,导致对管中心势流区的排挤作用,使势流区流速增加。
当边界层厚度δ达到管内半径时,势流区消失,边界层汇合于管轴线处,同时截面内速度分布不再变化。
u o将管入口截面至边界层汇合截面间的流动区域称为入口段,或称为未充分发展流、正在发展流。
该区域内,速度分布不断变化,(,)u u x r =,同时存在径向速度(,)v x r 。
边界层汇合截面以后的流动速度不再变化,()u u r =,而径向速度0v =,这段流动区域称为充发展段或充分发展流。
所以,管内流动存在特征不同的两个区域:入口段,充分发展段。
充分发展流动又分为:简单充分发展流、复杂充分发展流两种。
1). 简单充分发展流是指只存在轴向速度分量,而其它方向速度分量为零的充分发展流动。
对圆管: ()u u r =,0v w ==; 对矩形管道:(,)u u x y =,0v w ==。
简单充分发展流任意横截面上压力均匀,沿轴向线性变化,即dpconst dx=证明:对简单充分发展流,径向速度0v =,根据径向动量方程:222211()v v p v v v u v x r r r r x rνρ∂∂∂∂∂∂+=−+++∂∂∂∂∂∂ ⇒ 0p r ∂=∂,即任意横截面上压力均匀,压力仅沿轴向变化。
于是,轴向动量方程为:222211(u u dp u u uu v x r dx r r x rνρ∂∂∂∂∂+=−+++∂∂∂∂∂又发展流0ux∂=∂(速度分布不变,或由连续方程得出)⇒220ux∂=∂、()u u r =。
动量方程变为:221()dp u u dx r r rρν∂∂=+∂∂ 由于上式右端与与x 无关,所以必然有:dpdx=常数,而与x 无关,或说压力沿轴向线性分布。
第四章 湍流强制对流换热4-1 湍流边界层的结构与换热一、外掠平壁湍流边界层的结构特点以常物性不可压牛顿流体绕流平壁的二维稳态湍流边界层流动为例,来说明湍流边界层的结构特点 。
1. 绕流平壁的湍流边界内速度脉动实验结果在6Re 4.210x =×下,实验测得的脉动速度均方根分布如图:y湍流边界层内脉动速度的均方根值变化由实验结果发现:a)由于受壁面束缚作用,壁面附近的脉动速度很小,时均速度梯度很大;(分子粘性应力占主导)。
b)随着离开壁面距离的增加,脉动速度增大,达到最大值后又减小,而时均速度分布趋于平坦;(雷诺应力增大又减小)。
c )在沿壁面的法线方向上,湍流边界层可大致分为内层区和外层区两个区域,又称壁区和尾迹区。
d )内层区约占边界层厚度的20%,(0.2y δ≤),内层区的大部分处于湍流状态,时均速度梯度较大。
在靠近壁面处,因受壁面影响,湍流脉动速度减小,雷诺应力大大减弱,粘性应力占主要作用,把壁区内紧靠壁面的这一薄层称为粘性底层;e )在外层区,脉动受壁面影响较弱,湍流应力仍处主要作用,但由于时均速度梯度比内层区小,使外层区的湍流生成项所占比例也减小。
f )外层区与边界层外主流区的界面并不整齐,存在着间歇的湍流脉动,随着接近主流,湍流脉动逐渐减小。
g )实验还表明:在内层区,流线基本上平行于壁面,流动近似具有剪切流的特性,即沿x 方向,u2. 时均守恒方程组及在内层区的简化(4.1.1)采用Boussinesq假设,湍流附加应力为:(a)动量方程可写作:(4.1.2)式中,τ是湍流总应力,等于分子粘性应力与湍流附加应力之和。
(4.1.3)内层区流动的动量方程简化由连续性方程0u v x y ∂∂+=∂∂,对内层区流动,因其剪切流特性,0u x∂=∂,0v y∂⇒=∂,yv v dy y∂=∂∫ ⇒于是,动量方程:()u u u v x y yτρ∂∂∂+=∂∂∂可化简为:. w ττ⇒= (4.1.4)即:在内层区,湍流总应力与离开壁面的距离无关,等于壁面处的切应力w τ。