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第十章 对流换热 10－1 对流换热的基本概念 10－2 对流换热的基本方程组 Re↑→惯性力↑→流体运动激烈程度↑→换热强度↑ Re 反映流体运动状态对换热的影响。 * 一、对流换热定义及基本公式 定义：流动的流体和静止的固体壁面直接接触时 所发生的传热现象称为对流换热。 基本公式： 牛顿冷却公式 h——对流换热系数，W/（m2 · ?C） 影响对流换热的因素很多，都包含在 h 中。 研究目的： 求取h。 二、影响 h 的因素 1. 流动起因 自由流动——由流体冷热各部分的密度差引起； 受迫流动——受外力（如风机、水泵等）推动 而引起。 在其它条件相同的情况下： 2. 流动状态（简称流态） 层流流层之间互不掺混 ——热传导； 湍（紊）流流体质团相互掺混——热对流 一般情况下, h紊＞h层 ①　流态的判据: 受迫对流——Re（雷诺数） 自然对流——Gr Pr (格拉晓夫数与普朗特数的乘积) 定义式： 式中： u——特征速度（公式规定的代表性速度） l ——特征（定型）尺寸（对流动有决定性影响） ? ——动力粘度，kg/（m·s） ? ——?运动粘度，m2/s。 Re的物理意义： 惯性力(量纲分析) 摩擦阻力 ②　流态区分 层流 紊流 过渡流 —— 两种流态交替出现 或兼而有之。 Re＜Rec1 Re＞Rec2 Rec1＜Re＜Rec2 不同对流换热情况下, Rec 的值不同。 3.流体的物性 ①　不同的流体，物性不同； 定性温度来确定物性的温度。 ②　同一流体，温度不同，物性也不同。因此用 定性温度的选取方式： 流体进出口的算术平均温度 tf ； 壁表面温度 tw ; 流体与壁面的算术平均温度 4. 换热面的几何因素（尺寸、形状和位置等） 几何因素主要影响流体的流动状态、边界层的形成和发展（速度、温度分布）等。其影响通过定型尺寸来表征（参见P.157 图10-3、1-4）。 常用无量纲准则普朗特数 Pr (物性参数)来反映物性对对流换热的影响。 5. 流体有无相变（有相变 h 大） 本章重点——单相流体受迫对流换热 三、h 的确定方法 建立边界层微分（或积分）方程组并分析求解； 由热量和动量传递规律类比求解； 相似理论指导下的实验法； 数值计算方法。 四、流动边界层和热边界层 1. 流动（速度）边界层 （1） 流动边界层的定义：由于流体粘性作用，在壁面附近形成的速度梯度很大的薄层。 形成机理：在粘性作用下，流体与壁面间的摩擦力 以及流体每层之间的摩擦力使近壁区速度逐层降低。 在紧贴壁面y = 0 处，速度 ux= 0。 设： u∞ (uf) 为来流速度 y＝??处， 则 0～?? 的薄层称为速度边界层。 在边界层内, 很大，故τ也较大。 τ—切向粘性力(维持层流 , 阻碍流体沿 y 向流动) 主流区：边界层以外，流速维持u∞ (u f)基本不变 的区域。在主流区中， 。 （2） 掠过平板时边界层的形成和发展 设：流体以 uf 流进平板前缘 ① 起始处 x = 0，δ= 0；之后 x ↑—δ↑,速度梯度↓ — τ↓; x＜xc,, 为层流段, τ起支配作用, 速度分布为抛物线； ② x = xc处，层流边界层开始变得不稳定, 惯性力＞粘性力，若 uf 为紊流，沿 y 向有惯性力, 层流流动状态开始由层流→ 过渡流→紊流扩展变化，δ变厚。 原因：紊流传递能量大，把粘性力传到了较远的地方。 边界层厚度 δ 、 ux变化如图。 层流底层：稳定边界层中紧贴壁面仍保持层流的极薄层。 ③ 最后形成三层结构的稳定边界层 : 层流底层 + 缓冲层(过渡层) + 紊流核心 2. 热边界层（温度边界层） ⑴ 定义：由于温差作用，在壁面处形成的温度梯度 很大的薄层。 设： , 则 为热边界层。 即：可近似认为是从壁面至 t = 0.99 tf 处的距离。 层流 层流 ⑵ 温度分布 （3）热边界层的几个特点： ① 热边界层与物体的几何尺寸相比很小, 形成一般比速度边界层晚，因传热需要时间； ② 一般δ≠δt，只有当a =ν时，二者相等. δt 反映 流体的热量扩散能力, 与 a 有关 ,δ反映流体的动量扩 散能力, 与ν有关 。因此 Pr 数反映了动量和热量在 流体中扩散的相对能力； ③ 热边界层形态与速度边界层层流段相似。边界层 内温度分布呈抛物线型, 壁面处温度梯度最大，边界层外可近似看作等温流动。 对流换热热量传递机理： 包含 对