传热学05
5-1 对流换热概述对流换热概述 第五章 对流换热分析第五章 对流换热分析 一、对流换热一、对流换热（Convection heat transfer） 对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量 传递过程 对流换热：流体与固体壁直接接触时所发生的热量 传递过程 对流换热实例：对流换热实例：1) 暖气管道暖气管道; 2) 电子器件冷却电子器件冷却 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 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 电子器件冷却电子器件冷却 再生冷却的火箭发动机再生冷却的火箭发动机 住宅小区热环境住宅小区热环境 对流换热的特点：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 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；热边界层 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；热边界层 对流换热的基本计算式对流换热的基本计算式 W )( =tthA w 2 mW )( fw tth Aq = = 牛顿冷却公式（牛顿冷却公式（1701） 表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热系数） 当流体与壁面温度相差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 度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量 )( =ttAh w C)(mW 2 ? 如何确定如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题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：研究对流换热的方法： （1）分析法 （ ）分析法 （2）实验法 （ ）实验法 （3）比拟法 （ ）比拟法 （4）数值法）数值法 二、对流换热的影响因素及对流换热的分类对流换热的影响因素及对流换热的分类 对流换热：导热对流换热：导热 + 热对流热对流 对流换热的分类： 影响因素 对流换热的分类： 影响因素：流动起因、 流动状态、流体有无相 变、换热表面的几何因 素、流体的热物理性质 等 ：流动起因、 流动状态、流体有无相 变、换热表面的几何因 素、流体的热物理性质 等 1、流动起因：、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 （Free convection） （ ） （Forced convection） 2、流动状态：、流动状态： （Laminar flow） 流体运动的两种形态：流体运动的两种形态：层流运动、湍流运动层流运动、湍流运动 层流运动层流运动：流体质点的运动轨迹光滑而有规 则；各部分的分层流动互不掺混、扰动，流场 是稳定的 ：流体质点的运动轨迹光滑而有规 则；各部分的分层流动互不掺混、扰动，流场 是稳定的 （紊流）（紊流） 层流湍流 hh（Turbulent flow） 湍流运动湍流运动： 与层流运动相反； 是很粗糙的、不规 则的、混乱的、随 机性的流动 ： 与层流运动相反； 是很粗糙的、不规 则的、混乱的、随 机性的流动 流体质点做复杂无 规则的运动 流体质点做复杂无 规则的运动 Dye injection High flow Turbulent Osborne Reynolds, Phil. Trans. Royal Soc., 1883 Animation Example - Turbulence Low flow Laminar 3、流体有无相变：、流体有无相变： 单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 （Single phase heat transfer） （ ） （Phase change） （） （Condensation） （） （Boiling） 4、换热表面的几何因素：、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 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 流体的热物理性质对换热的影响：流体的热物理性质对换热的影响： 热导率热导率 C)(mW ? 密度密度 mkg 3 比热容比热容 C)(kgJ ? c 动力粘度动力粘度msN 2 运动粘度运动粘度 sm 2 =体胀系数体胀系数 K1 pp TT v v = = 11 单相相变 hh )( 间导热热阻小流体内部和流体与壁面 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 自然对流换热增强 综上所述，表面传热系数是众多因素的函数综上所述，表面传热系数是众多因素的函数 ) , , , , , , , , ,(lcttvfh pfw = 对流换热分类对流换热分类 三、对流换热过程微分方程式三、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： 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：根据傅里叶定律： 2 , , mW xw xw y t q = ()处流体的温度梯度在坐标 流体的热导率 ,0)( C)(mW , xyt xw ? 根据傅里叶定律：根据傅里叶定律： xw xw y t q , , = 根据牛顿冷却公式：根据牛顿冷却公式： 2 , mW )( =-tthq wxxw )CmW 2 ? （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：由傅里叶定律与牛顿冷却公式： )C(mW 2 , ? = xw w x y t tt h 对流换热过程 微分方程式 对流换热过程 微分方程式 xw w x y t tt h , = 对流换热过程 微分方程式 对流换热过程 微分方程式 hx取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度 温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（层 流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。 取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度 温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（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：速度场和温度场由对流换热微分方程组确定： 连续性方程、动量方程、能量方程连续性方程、动量方程、能量方程 5-2 对流换热过程的数学描述对流换热过程的数学描述 假设：假设：a) 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 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 4个未知量个未知量：速度：速度 u、v；温度；温度 t；压力；压力 p 连续性方程（连续性方程（1） 动量方程（ ） 动量方程（2） 能量方程（ ） 能量方程（1） （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） （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） y u = b) 所有物性参数（、所有物性参数（、cp、）为常量、）为常量 需要需要4个方程个方程 一、连续性方程一、连续性方程（Continuity equation） M 为质量流量为质量流量 kg/s 流体的连续流动遵循质量守恒规律 从流场中 流体的连续流动遵循质量守恒规律 从流场中 (x, y) 处取出边长为处取出边长为 dx、dy 的微元体的微元体 udyM x = 单位时间内、沿单位时间内、沿x轴 方向、经 轴 方向、经x表面流入微 元体的质量 表面流入微 元体的质量 dx x M MM x xdxx += + 单位时间内、沿单位时间内、沿x轴方向、经轴方向、经 x+dx表面流出微元体的质量 单位时间内、沿 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： 轴方向 流入微元体的净质量： dxxx MM + udyM x = dx x M MM x xdxx += + 单位时间内、沿单位时间内、沿 x 轴方向流入微元体的净质量：轴方向流入微元体的净质量： dxdy x u dx x M MM x dxxx = = + )( 单位时间内、沿单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量：轴方向流入微元体的净质量： dxdy y v dy y M MM y dyyy = = + )( 单位时间单位时间 x 轴方向净质量：轴方向净质量： dxdy x u )( 单位时间单位时间 y 轴方向净质量：轴方向净质量： dxdy y v )( dxdy dxdy = )( 单位时间内微元体 内流体质量的变化 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：微元体内流体质量守恒： 流入微元体的净质量流入微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化微元体内流体质量的变化 单位时间内单位时间内 dxdy x u )( dxdy y v )( dxdy = dxdy x u )( dxdy y v )( dxdy = x u + )( 0 )( = + y v 二维连续性方程 对于二维、稳态流动、密度为常数时： 二维连续性方程 对于二维、稳态流动、密度为常数时： x u 0= + y v x u + )( y v + )( 0 )( = + z w 三维连续 性方程 三维连续 性方程 二、动量微分方程二、动量微分方程（Momentum equation） 牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律：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 动量守恒 作用力 动量守恒 作用力 = 质量 加速度（质量 加速度（F=ma） 作用力：体积力、表面力作用力：体积力、表面力 体积力体积力：重力、离心力、电磁力：重力、离心力、电磁力 表面力表面力：粘性引起的切向应力 和法向应力、压力等 法向应力 ：粘性引起的切向应力 和法向应力、压力等 法向应力 中包括了压力中包括了压力 p 和 法向粘性应力 和 法向粘性应力 ii 压力压力 p 和法向粘性应力和法向粘性应力 ii的区别：的区别： a) 无论流体流动与否
