当前位置：文档之家 › 哈工大传热学 第5章对流换热12解析

哈工大传热学 第5章对流换热12解析

  • 格式：pptx
  • 大小：1.53 MB
  • 文档页数：34

下载文档原格式

  / 34

合集下载

传热学第5章讲解

传热学第5章讲解

A qxdA
A
hx
tw

tf
x
dA
tw tf
A hxdA
等壁温，tw
tf
x
tw
tf
常数
对照式 = A h( tw－tf ) 可得
h 1 A
A hxdA
如何确定表面传热系数的大小是对流换热计算的
核心问题，也是本章讨论的主要内容。
5－1 对流换热概述
h t tw t y y0
上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场 之间的关系。而流体的温度场又和速度场密切相关， 所以对流换热的数学模型应该包括描写速度场和温度 场的微分方程。
5-2.对流换热过程的数学描述
一、连续性微分方程（质量守恒） y
u v 0
dy
x y
(2) 流动的状态 层流 ：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方 向流动，垂直于流动方向上的热量传递 主要靠分子扩散（即导热）。
6
紊流
：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各 部分流体之间迅速混合，因此紊流对流 换热要比层流对流换热强烈，表面传热 系数大。
7
(3) 流体有无相变 沸腾换热 凝结换热
(4) 流体的物理性质
q = h( tw－tf ) =h tm
h—整个固体表面的平均 表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度 ; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的 主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。
tm—平均换热温差。
对于局部对流换热，
qx

hx
tw
tf
x
4

ut 0
dx cp x dxdy

工程传热学第五章-对流换热计算

工程传热学第五章-对流换热计算

进口区：流动和热边界层从零开始增长， 直到汇合至管子中心线。管子进口到边 界层汇合处的这段管长内的流动称为管 内流动进口区。
充分发展区：边界层汇合于管子中心线 以后的区域，即进入定型流动的区域。
入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。
如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。
气体: N u 0.02R 10.8e 4 10P0 0.4 r 1 d l 23 T T w f 0.45
R 2 e2 1 00 0 ， P 0 r 0 0 .6 0 6 .5 ， T f 0 .5 1 .5 T wFra bibliotek液体:
N u 0.01 R2 0.8e 728P0 0.4 r 1 d l 23 P Pw f rr0.11
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re umd 2200 —— 层流区
Re（220， 0104） —— 过渡区
如果流体流动的方向与管束不垂直， 也就是流体对管子的冲击角<900的情 况，在进行换热计算时要在式(5-16) 计算出的表面传热系数的基础上乘以 修正系数cβ
5-3 自然对流换热计算
自然对流：流场温度分布不均匀导致的密度不 均匀，在重力场作用下产生的流体运动过程。 自然对流换热：流体与固体壁面之间因温度不 同引起的自然对流时发生的热量交换过程。
第五章 对流换热计算

《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件

《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件
4个方程,4个未知数(h,u,v,t)， 理论上存在唯一解， 可通过数学方法进行求解
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法

传热学第五版部分习题解答(5-7章)

传热学第五版部分习题解答(5-7章)

《传热学》第五版部分习题解答第五章5-13 解:本题应指出是何种流体外掠平板，设是水外掠平板。

由60=m t ℃，查附录3 饱和水的热物理性质表得：610478.0-⨯=v m 2/s ，99.2=r p561082.210478.015.09.0Re ⨯=⨯⨯=⋅=-∞v x u x 41.11015.0)1082.2(0.5Re 0.5321521=⨯⨯⨯⨯==---x xδ mm98.099.241.13131=⨯==--rt p δδ mm5-18 解：55230802=+=+=wf m t t t ℃ 由附录2 ，查得空气的热物性参数为：210865.2-⨯=λW/(m.K) 61046.18-⨯=v m 2/s ， 697.0=r p5561051033.41046.188.010Re ⨯<⨯=⨯⨯=⋅=-∞v l u c 所以，此流动换热为层流换热。

923.0101046.18105Re 65=⨯⨯⨯=⋅=-∞u v x c c m46.6)697.0()105(923.010865.2332.0332.03121523121Re =⨯⨯⨯⨯⨯==-r c x h p c c λW/(m 2.K)94.6)697.0()1033.4(8.010865.2332.0332.03121523121Re=⨯⨯⨯⨯⨯==-r lh p l λW/(m 2.K)88.1364.922=⨯==l h h W/(m 2.K)2.555)3080(18.088.13=-⨯⨯⨯=∆=Φt hA W5-23 解： (注意：本题可不做)参考课本p126页（15）到（5-33）式。

2t a by cy =-+；0,w y t t ==；220wd t dy ⎛⎫= ⎪⎝⎭；,t f y t t δ==得到w f w f tt t yt t θθδ-==-，代入速度场和该温度场于能量积分方程()0tf wd t u t t dy a dx y δ⎛⎫∂-= ⎪∂⎝⎭⎰，并且设t δςδ=，略去ς的高阶项，可以得到ς的表达式，进而得到t δ的表达式。

传热学课件第5章

传热学课件第5章
传热学C Heat Transfer
第五章 对流换热原理
传热学C Heat Transfer
§5-1 对流换热概述
一、对流换热的定义和机理
对流换热：流体流过固体壁面时所发生的热 量传递过程。
机理：既有热对流，也有导热，不是基本的热量传 热方式。
传热学C Heat Transfer
二、牛顿冷却公式
hx— 壁面x处局 系部 W 数 （ m 表 2C ) 面
由以上得：
hx
tw
t
t y
y0,x
它揭示了对流换热问题的 本质
传热学C Heat Transfer
五、局部对流换热系数与边界层的关系
传热学C Heat Transfer
平均对流传热系数：
h 1 At
AhxtxdAx
对于长度为 l 的平板：
1. 定义：当流体流过固体壁面时, 由于流体粘性的作用,使得在固 体壁面附近存在速度发生剧烈 变化的薄层称为流动边界层或 速度边界层。
2. 速度边界层厚度d 的规定：速度等于99%主流 速度。
传热学C Heat Transfer
3. 特点：通常情况下，边界层厚度d是比壁面尺度l 小一个数量级以上的小量。 d << l
传热学C Heat Transfer
例如，对于外掠平板的对流换热现象，可以得到雷
诺数Ｒｅ、普朗特数Ｐｒ和努赛尔数Ｎｕ。如果是
两个相似的外掠平板的对流换热现象，则必有：
R'eR"e Pr ' Pr" N'uN"u
根据相似的这种性质，在实验中就只需测量各准 则所包括的量，避免了测量的盲目性，解决了实验 中测量那些量的问题。
Gr gtL3 2

传热学 第五章 对流换热

传热学 第五章 对流换热

t qw
n w
第三类边界条件？
思考
对流换热微分方程表明,在边界上垂直于壁面的热量传 递完全依靠导热,那么在对流换热过程中流体的流动起 什么作用?
hx
tw t
x
t y
y0,x
c
p
t
u t x
v
t y
2t x2
2t y 2
流场决定温度场
小结
我们学习了 影响对流换热的一些因素； 对流换热微分方程：对流换热系数的定义 对流换热微分方程组：连续性方程、动量方程、能量方程
A qxdA
A
hx
tw
t
x
dA
h
1 A
A hxdA
对流换热的 核心问题
对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。 影响因素：
1)流动的起因：强迫对流换热与自然对流换热 2) 流动的状态：层流和紊流 3) 流体有无相变 4) 流体的物理性质
5) 换热表面的几何因素
v
t y
2t x2
2t y 2
2) 对流换热的单值性条件
(1) 几何条件 (2) 物理条件 (3) 时间条件 (4) 边界条件
1904年，德国科学家普朗特(L. Prandtl)提出著名 的边界层概念后，上述方程的求解才成为可能。
第一类边界条件 t w f x, y, z,
q 第二类边界条件 w f x, y, z,
采用氢冷须注意其密封结构，否则泄露后会发生爆炸。
5) 换热表面的几何因素
强迫对流
（1）管内的流动
（2）管外的流动
自然对流
（3）热面朝上
（4）热面朝下
对流换热分类

《传热学》第5章_对流传热的理论基础

9
第5章 对流传热的理论基础
在dτ范围内，在x方向上由流体净带出微元体的热量为：
u t H x dx H x c p u t dxdyd x x
同样的道理，在dτ范围内，在y方向上由流体净带出微元体的热量为： t v H y dy H y c p v y t y dxdyd 在单位时间内，由于流体的流动而带出微元体的净热量为：
(3)一般没有第三类边界条件(如果流体通过一层薄壁与另一种流体发生 热交换,则另一种流体的表面传热系数可以作为所求解问题的边界条件)
方程组中包含四个未知数，虽然可以求解,但是由于复杂性和非线性，
导致求解方程组难度很大，两个关键人物：普朗特提出边界层概念、 波尔豪森提出热边界层概念,从而使得 对流传热得到了实质性的发展。
15
第5章 对流传热的理论基础
层流层向湍流层过渡的距离xc由临界雷诺数决定：
Rec u xc / v
范围在2×105到3×106范围之间，一般情况下，取边界雷诺数5×105。 3. 流动边界层内的动量方程 当流体外掠物体流动时,层流边界层内粘性流体的稳态动量方程可写为：
u u 1 dp 2u u v v 2 x y dx y
与二维的Navier-Stokes方程相比，层流边界层的运动微分方程特点是： 1. 在u方程中略去了主流方向的二阶导数项； 2. 略去了关于速度v的动量方程 3. 认为边界层中p / y 0，因而上式中利用dp / dx 代替 p / x
说明：该公式仅适用于边界层类型的流动，且流体不脱离固体表面时
描述：规定达到主流速度的99%处的距离y为流动边界层的厚度,记为δ
方法：数量级分析法
14
第5章 对流传热的理论基础

传热学第五章


第五章 对流传热原理
第一节 概 述
对流传热种类 自然对流传热
空气 水 强迫对流传热 气体 高压水蒸汽
对流传热系数的大致范围
h[W/(m2﹒K)]
对流传热种类
水
3～10
液态金属
200～1000
气-液相变传热
水沸腾
20～100
水蒸汽凝结
500～3500
有机蒸汽凝结
表 5-1 h[W/(m2﹒K)] 1000～15000 3000～110000
第五章 对流传热原理
第二节 边界层概念
4、流动状态判据（P78）
（2）上述流体纵掠等温平壁中：
边界层由层流向湍流过渡的距离xc称为临界长度，对应的
临界雷诺数为
Re c

u xc


u xc
5 105
Re x Re c ,为层流边界层
Re x Re c ,为湍流边界层
综上所述，影响对流传热系数h的主要因素，可 定性地用函数形式表示为：
h=(v,tw,tf,λ,ρ,cp,η,αV,γ,lc,φ)
式中：γ为汽化潜热； lc为描述传热面大小的特征长度； φ为壁面的几何形状因素，包括形状、位置等。
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
四、研究对流传热的方法（P76）
研究对流传热的方法，即确定对流传热系数h的方法大致有 以下四种：
例如，同一根圆管，管内流动和管外流动（横掠）的强迫对流 传热是截然不同的，如图5-1a）所示。
再如，同一水平壁自然对流散热，热面朝上时气流旺盛，热面 朝下时气流较弱，因此具有不同的传热强度，见图5-1b）
第五章 对流传热原理
第一节 概 述
图5-1 几何因素的影响

传热学-第5章_对流换热的理论基础


1. 流动的起因 —— 强迫对流，自然对流。 流动的起因不同，流体内的速度分布，温度 分布不同，对流换热的规律也不同。 强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作 用下产生的流动。 自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。
空气h：
自然对流 h 5 25W /(m2 K ) 强迫对流 h 10 100W /(m2 K )
平壁表面的 传热机理
wall u∞ u
tf t
Φ
平壁上的对流换热
3. 牛顿冷却公式 （Newton’s law of cooling）
Ah(t w t f ) q h(t w t f ) ht
式中： tw — 固体表面的平均温度。 tf — 流体温度。 • 外部绕流（外掠平板，圆管） tf 为流体的主流温度。 • 内部流动 （各种形状槽道内的流动） tf 为流体的平均温度。
v v v p 2v 2v ( u v ) Fy ( 2 2 ) x y y x y
t t t 2t 2t c p ( u v ) ( 2 ) 2 x y x y
含有未知量： u , v , p , t , 适用条件：自然对流，强迫对流换热； 层流，湍流换热。
空气
c p 1.21 kJ /(m3 C)
导热系数λ： 影响流体内部的热量传递过程和温度分布； λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。
常温下：水
水的冷却能力强于空气
0.551 W /(m K )
空气 0.0257 W /(m K )
粘度μ： 影响速度分布与流态（层流，湍流）； μ越大，分子间约束越强，相同流速下不易 发展成湍流状态。 高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。

传热学12 对流换热的基本方程和分析解PPT文档31页

传热学12 对流换热的基本方程和分析 解
41、俯仰终宇宙，不乐复何如。 42、夏日长抱饥，寒夜无被眠。 43、不戚戚于贫贱，不汲汲于富贵。 44、欲言无予和，挥杯劝孤影。 45、盛年不重来，一日难再晨。及时 当勉励 ，岁月 不待人 。
Байду номын сангаас
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

对 流 推导的前提（或适用条件）
微 （1）不可压缩流体 分 （2）牛顿流体 方 （3）常物性流体、各向同性
u
影 响
流程平均温度、主流区温度
与
规 （3）几何——定性尺寸
律
直内径、水力直径、板长、管外径
对流换热分类小结
第12讲 对流换热概论及微分方程
4.1 近壁处的换热过程
4 当粘性流体在壁面上流动时， 对 由于粘性的作用 流 （1）在靠近壁面处，离壁距 微 离越短，流速越小； 分 （2）在贴壁处被滞止，处于 方 无滑移状态 程 （即：y=0, u=0）； 的 建 （3）在这极薄的贴壁流体层中，流体无法掺混，只有 立 分子扩散，热量只能以导热方式传递。
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.1 对流换热的两个基本过程
3
对 流 换
对流换热 = 热对流（掺混）+ 导热
q h t f tw
热
的
影
响
与
规
律
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.2 对流换热两个过程影响因素
3
对 流
（1）流速——流动起因、状态
换 （2）物性——
热
的 影
（2）几何——D L ks
响 ——描述几何边界的
与 规
一个特征尺寸
律
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.6 对流换热影响参数的特征参数
3
对 h f u , , cp , , , , , D , L , ks , tw , t f
流
换 （1）流速——特征流速
热
平均流速、主流区速度、最大流速等
的 （2）物性——定性温度
第12讲 对流换热概论及微分方程
2.5 对流换热的核心问题
（1）如何确定对流表面放热系数 h ——下一章重点
2 对
查手册——无因次准则、定型尺寸、定性温度、特征速度
流 数值模拟——微分方程及边界描述
换
热 概 （2）如何增强或削弱对流换热——本章重点 论 影响因素：流体物性、几何边界、流动状态
影响趋势与程度：增大、减小、主次
第5章 对流换热分析
哈尔滨工业大学 张承虎 2013 / 04 / 22
内容安排
• 作业：P145-148
• 题号：2、5、7、8、11、12、16
•
21、22、23、27、28、31
内容安12讲 对流换热概论及微分方程
内
第1节 的全部 第2节 的全部
容 • 第13讲 边界层理论及应用
2.1 对流换热的定义与热对流
对流换热——
2 是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递 对 现象。 流 换 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 热 不是基本传热方式。 概 论 对流换热在专业中的体现：
外墙、锅炉加热管、换热器、太阳能热水器、散热器
第12讲 对流换热概论及微分方程
2.2 对流换热在专业中的体现
根据傅里叶定律：
第12讲 对流换热概论及微分方程
4.1 近壁处的换热过程
4 对流换热过程微分方程式：
对
流
微
分
方
程
的 hx — 壁面x处局部表面传热系数 W（m2 C)
建 立
给出近壁处的温度场为：
能否求出hx，为什么？
第12讲 对流换热概论及微分方程
4.1 近壁处的换热过程
4 对流换热过程微分方程式：
2 对 流 换 热 概 论
外墙、锅炉加热管、换热器、太阳能热水器、散热器
第12讲 对流换热概论及微分方程
2.3 对流换热的特点
2 (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 对 流 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也 换 必须有温差 热 概 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 论 壁面处会形成速度梯度很大的边界层
第12讲 对流换热概论及微分方程
2.4 对流换热基本公式及其意义
牛顿冷却公式：
2 对 流 （1）关于那个温度减那个温度 换 （2）关于流体温度和壁面温度的平均意义和局部意义 热 概 （3）关于h的存在平均意义和局部意义 论 （4）实际上：q与温差并不成正比
（5）实际上：h与温度有关，也与边条有关，很复杂 （6）将对流换热的问题都集中到h身上，解析困难
3.4 对流换热——物性参数的差异
3
对 单相换热（Single phase heat transfer）：
流 （1）物性参数不会发生质的变化 换 （2）没有潜热释放
热
的 相变换热（Phase change）：
影 （1）物性参数发生质的变化 响 （2）伴随有潜热释放 与 （3）凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
规
律
h相变 h单相
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.5 对流换热——几何参数
3
对 边界对流动的限制作用、削弱掺混！
流 （1）边界之间的距离——狭缝、圆管、尖角 换 （2）边界的长度——管长、板长、外掠管周长 热 （3）边界的状态——粗糙度 的 （4）边界的方向——自然对流、立管与水平管
影 定型尺寸
响
与
规
律
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.3 对流换热——流动的起因与状态
3
对 自然对流：
流 流体因各部分温度不同而引起的密度差
换 异所产生的流动
热
的 强制对流：
影 由外力（如：泵、风机、水压头）作用
响 所产生的流动
与
规 律
h强制 h自然
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.3 对流换热——流动的起因与状态
3
对 流 换
层流（Laminar flow）： 整个流场呈一簇互相平行的流线
热
的 影 响
湍流（Turbulent flow）： 流体质点做复杂无规则的运动
与
规
h湍流 h层流
律
第12讲 对流换热概论及微分方程
3.4 对流换热——物性参数的差异
3
对
流
换
热
的
影
响
与
规
律
第12讲 对流换热概论及微分方程
对
流
微
分
方 程
hx — 壁面x处局部表面传热系数
W（m2 C)
的 hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度
建 立
温度场决定——温度梯度、流体温度tf
温度场取决于——速度场、边界条件、物性、几何条件
第12讲 对流换热概论及微分方程
4.2 方程推导的前提（适用）条件
4 详细推导过程了解、掌握推导方法和结论
安
第3节 的全部
排 • 第14讲 近似积分方法及类比方法
第4节 的全部 第5节 的全部
第12讲 对流换热概论及微分方程
1 本讲的主要内容安排与介绍
（1）对流换热概论
1 本 （2）对流换热的影响因素与规律 将 内 （3）对流换热微分方程的建立 容
（4）对流换热微分方程的特点
第12讲 对流换热概论及微分方程