第五章 对流换热.docx

第五章 对流换热本章内容要求：1、重点内容：对流换热及其影响因素；牛顿冷却公式；用分析方法求解对流换热问题的 实质；边界层概念及其应用；相似原理；无相变换热的表面传热系数及换热量的计算2 、掌握内容：对流换热及其影响因素；用分析方法求解对流换热问题的实质3 、讲述基本的内容：对流换热概述；对流换热的数学描写；对流换热的边界层微分方程组；边界层积分 方程组的求解及比拟理论；相似原理及量纲分析；相似原理的应用；内部流动强制对流 换热实验关联式；外部流动强制对流换热实验关联式；自然对流换热实验关联式1对流换热的概念：流体 温差 固体壁面；2．对流换热中，导热和对流同时起作用；Ah t t3•对流换热的影响因素： 2 L , h――过程量；tq 一w y4•对流换热系数如何确定： yo［、基本概念对流换热：流体流过固体壁面情况下发生的热量交换传热机理：由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值通过固体壁面的热流也会在流体分子 的作用下向流体扩散（热传导），并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换3、对流换热的计算－牛顿冷却公式热过程热对流与导热的综合作用的结果。

2、对流换热的特点1） 必须有流体的宏观运动，必须有温差;2） 对流换热既有热对流，也有热传导；3） 流体与壁面必须有直接接触；4） 没有热量形式之间的转化（1701 年）流体被加热时， q h（tw tf） 流体被冷却时， q h（tf tw）其中U及tf分别为壁面温度和流体温度；用七表示温差（温压），并取七为正，则牛顿冷却公式表示为 q h t或 Q Ah t其中h—比例系数（表面传热系数）单位W /m2k h的物理意义：单位温差作用下通过单位面积的热流量牛顿冷却公式只是表面传热系数的定义式，并没有揭示表面传热系数与影响它的有关物 理量之间的关系对流换热研究的基本任务就是要揭示这种关系，用理论分析或实验的方 法推出各种场合下表面换热导数的关系式5-1对流换热概述一、 对流换热现象换热设备；暖气片；电子元件的散热等等传热机理：由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流 体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值通过固体壁面的热流也会在流体分子 的作用下向流体扩散（热传导），并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换 热过程热对流与导热的综合作用的结果。

二、 影响对流换热的因素由于对流换热过程是热对流与导热综合作用的结果，所以对流换热影响因素应所有影 响热对流和导热基本方式的因素1、 流动的起因和流态：h受迫汕自然；h层流＜h紊流由于流动起因的不同，对流换热分为强制对流换热与自然对流换热两大类；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（Free convectiOn强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forced convectiOn粘性流体存在着层流及湍流两种不同的流态，对流换热分为层流对流换热与湍流对流换 热两大类；层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminar floW湍流：流体质点做复杂无规则的运动（Turbulent fljw2、 流体的种类及物理性质：影响对流换热的热物性是久（a）、p cp、v（“）、a （容 积膨胀系数）等等1） 导热系数：导热系数大，流体内和流体与壁之间的导热热阻小，换热就强，入水 的导热导热系数比空气高20余倍，故水的传热系数h远比空气高2） 比热容与密度：比热容与密度大的流体，单位体积携带更多的热量，从而对流作 用传递热量的能量高3） 粘度：粘度大，阻碍流体的运动，不利于热对流。

温度对粘度影响较大，对应液 体，粘度随温度增加而降低，气体相反由于流体内各处温度并不相等，以至各处的物性数值也不系统，为处理方便起见，一般 引入定性温度，将热物性作为常数处理3、 流体有无相变：h单相＜h相变4、 换热表面的几何形状和尺寸几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面于流体运动方向的相对位置以及换热表面 的状态（光滑或粗糙）影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布如管内强制堕落流动于流态横掠圆管的强制对流换热是截然不同的前一种是管内流态，属于所谓内部流动 的范围；后一种是外掠物体流动，属于所谓外部流动的范围这两种不同的流动条件下的 换热规律必然是不同的在自然对流领域里，不仅几何形状，几何布置对流动亦有决定性的 影响，热面朝上散热的流动于热面朝下的流动就截然不同，其换热规律也不一样引入定型尺寸来描述换热表面的几何因素对换热有决定意义的特征尺寸综上所述，可写出如下函数式：f(u,t ,t , ,c , , , ,l)w f p三、对流换热的分类对流换热：导热+ 热对流；壁面+流动1、由于流动起因的不同，对流换热分为强制对流换热与自然对流换热两大类； 粘性流体存在着层流及湍流两种不同的流态，分为层流对流换热与湍流对流换热； 2、按照流体与固体壁面的接触方式，对流换热可分为内部流动换热和外部流动换热 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、按照流体在换热中是否发生相变可分为单相流体对流换热和相变对流换热；单相换热： （Single phase heat tra）nsfer「无相变换热侵迫对流换热对 流 换 热L相变换热自然对流换热-圆管内受迫流动-非圆形管内受迫流动产卜掠平板L外部流动外掠单管L外掠管束（光管；翅片管）「竖壁；竖管「无限空间横管L水平壁（上表面和下表面）L 有限空间——夹层空间「内部流动匚混合对流换热（受迫对流与自然对流并存）萨直壁凝结换热僭结换热水平单圆管及管束外凝结换热L管内凝结换热、肅吐晞抽「大空间沸腾换热沸腾换热［管内沸腾换热（横管，竖管）相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等Phase change： Condensation Boiling4、由于换热表面的形状不同，同样可分为不同形状类型的对流换热。

四、研究方法分析法对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从 而获得速度场和温度场的分析解的方法由于数学上的困难，目前只能得到个别简单的对流 换热问题的分析解，如二维的边界层层流流动、库特流动和管内层流流动换热等但分析解 能深刻揭示各个物理量对表面传热系数的依变关系，从而是评价其他方法所得结构的标准于依据由于对流换热的复杂性，实验研究是求解对流换热问题的主要方法，通过实验 获得的表面传热系数的计算式仍然是目前工程设计的主要依据尤其是对于紊流换热问题、 有相变的换热问题，或者几何结构复杂的换热问题，实验求解几乎是唯一的途径虽然，数 值分析方法得到发展，但其结果还是要通过实验来加以验证比拟法：通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起来表面传热系数与 阻力系数之间的相互关系应该比拟法，比较通过易用实验测定的阻力系数来获得相应的表 面传热系数的计算公式在传热学发展的早期，这一方法曾广泛用来获得湍流换热的计算公 式随着实验测试技术以及计算机技术的迅速发展，近年来这一方法已经较少使用随着计算机应用的普及和数值计算方法的发展，对流换热过程的数值分析越来 越成为一种主要的求解方法，其结果的可信度越来越高。

数值求解方法主要是将对流换热方 程组在离散的控制体中变为代数方程组，然后编制出相应的计算机程序，通过计算机求出离 散的温度分布，用于表示计算区域连续的温度分布由于对流换热过程的数值分析较为复杂， 对流换热的数值求解增加了两个难点，对流项的离散以及动量方程中的压力梯度项的数值处 理，这两个难点的解决要涉及很多专门的数值方法五、对流换热微分方程式当黏性流体在壁面上流动时，由于黏性的作用，在靠近壁面的地方流速逐渐减小，二在 贴壁出流体将被滞止而处于无滑移状态换句话说，在贴壁处流体没有相对于壁面的运动 在流体力学力称为贴壁处的无滑移边界条件贴壁处这一极薄的流体层相对于壁面是不流动 的，壁面于流体间的热量传递必须穿过这个流体层，而穿过不流动的流体层的热量传递方式 只能是导热因此，对流换热量就等于贴壁流体层的导热量q ( t)将傅立叶定律应用于贴壁流体层，可得到 丫 y0h t h 整理得：ty而从过程的热平衡可知，这些通过壁面流体层传导的热流量最终是以对流换热的方式传 递到流体中去的，于是得到如下关系y 0此即对流换热过程微分方程式，它给出了计算对流换热壁面上热流密度的公式，也确定了对流换热系数与流体温度场之间的关系。

图5T对流换撫过毘它清晰地告诉我们，要求解一个对流换热问 题，获得该问题的对流换热系数或交换的热流量， 就必须首先获得流场的温度分布，即温度场，然后 确定壁面上的温度梯度，最后计算出在参考温差下 的对流换热系数所以换热系数于流场的温度分布 有关，因此，它与流速、流态、流动起因、换热面 的几何因素、流体物性均有关所以换热系数不是物性参数对流换热问题犹如导热问题一样，寻找流体系统的温度场的支配方程，并力图求解方程 而获得温度场是处理对流换热问题的主要工作由于流体系统中流体的运动影响着流场的温度分布，因而流体系统的速度分布（速度场） 也是要同时确定的，这也就是说，速度场的场方程也必须找出，并加以求解不幸的是，对 于较为复杂的对流换热问题，在建立了流场场方程之后，分析求解几乎是不可能的此时， 实验求解和数值求解是常常被采用的尽管如此，实验关系式的形式及准则的确定还是建立 在场方程的基础上的，数值求解的代数方程组也是从场方程或守恒定律推导得出的描写速度场的数学表达式是连续性方程和流体运动微分方程式（或称动量方程式），描 写温度场的数学表达式是能量微分方程这样，对流换热过程微分表达式、连续性方程式、 运动微分方程式以及能量微分方程式总称为对流换热微分方程式（控制方程）。

§5-2对流换热问题的数学描写本节要求：1．掌握对流换热问题完整的数学描写：对流换热微分方程组及定解条件；对流换热微分方程组：连续性方程+动量微分方程+能量微分方程；2．熟悉能量微分方程的推导方法及思路：对微元体应用能量守恒定律和傅里叶导热 定律；3．掌握对流换热微分方程组中各项的意义对流换热过程是流体中的热量传递过程，涉及流体运动造成的热量的携带和流体分子运 动的热量的传导（或扩散）因此，流体的温度场与流体的流动场（速度场）密切相关要 确立温度场和速度场就必须找出支配方程组，它们应该是，从质量守恒定律导出的连续性 方程、从动量守恒定律导出的动量微分方程、和从能量守恒定律导出的能量微分方程从 一般意义上讲，推导这些方程应该尽量少的限制性条件但是为了突出方程推导的物理实 质而又不失一般性，这里选取二维不可压缩的常物性流体流场来进行微分方程组的推导工 作3能量微分方程流场中的温度分布反映了流场能量分布的状态，受着能量守恒定律的制约因而支配流 场温度场的场方程便于分析，推导时作下列假设：（1）流动是二维的；（2）流体为不可压缩的牛顿型流体 （3）流体物性为常数、无内热源；（4）粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计 能量微分方程可以通过对流场中微元体进行能量平衡分析而得出。

对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体 dxdy 1 的能量平衡关系式为：E，导入的净热量+对流传递的净热量=总能量的增量式中： 1为以传导方式进入微元体的净的热流量； 2 为以对流方式进入。