《传热学》第5章_对流传热的理论基础.pptVIP

* * * * * * * * 复习： 对流传热：流体经过固体表面时流体与固体间的热量交换。 对流传热的表达形式——牛顿冷却公式： 第5章 对流传热的理论基础 是流体与固体表面间的平均温差，总取正值。 关键点：表面传热系数h的定义式，没有揭示表面传热系数与影响它的 各物理量之间的内在联系。 主要内容：(1) 对流传热过程的物理本质 (2) 对流传热的数学描述方法 (3) 分析解的应用 关键点：(1) 掌握各种数学表达式所反映的物理意义 (2) 理解对流传热过程的物理本质 排除高速流动状态，一般单项强制对流传热的表面传热系数可表示为： 5.1.1 对流传热的影响因素 影响流动的因素和影响流体中热量传递的因素包括： 流体流动的成因：强制对流or自然对流 流体有无相变：流体显热or相变热 流体的流动状态：层流or湍流，后者较大 换热表面的几何因素：形状、大小、相对位置、换热表面状态 流体的物理性质：密度、粘度、导热系数等等 第5章 对流传热的理论基础 5.1 对流传热概说 第5章 对流传热的理论基础 5.1.2 对流传热现象的分类 层流 湍流 详细分类 第5章 对流传热的理论基础 5.1.3 对流传热的研究方法 获得表面传热系数h的表达式的方法大致有以下四种： 该方法在近30年获得快速发展，是目前求解问题的主要途径。 利用离散的方法获得对流传热过程中的温度场及其传递热量 数值法 尽管目前已较少使用，但是对理解对流传热有帮助 通过动量传递及热量传递的共性和类似特性，以建立起表面传热系数或阻力系数间的相互关系的方法 比拟法 是获得表面传热系数的主要途径，是目前工程设计的主要依据 在相似原理的指导下，通过反复试验获得表面传热系数 实验法 只能得到个别简单问题的分析解，能够深刻理解物理量对传热系数的影响。 对某一类对流传热问题的偏微分方程及相应的定界条件进行数学描述并进行求解 分析法 说明 定义 方法 第5章 对流传热的理论基础 5.1.4 如何从解得的温度场来计算表面传热系数 流体中的温度分布 表面对流传热系数 ？ 对流传热的速度分布 当粘性流体在壁面上流动时,由于粘性作用，流体的流速在靠近壁面 处随离壁面的距离缩短而逐渐降低;在贴壁处被滞止,处于无滑移状态 当流体处于无滑移状态时，穿过 不流动的流体时只有热传导；而 穿过空气(不参加辐射)之类时传热 量等于对流和辐射传热量之和。 本章不考虑辐射，对流传热量等于 贴壁流体层的导热量！！！ 第5章 对流传热的理论基础 利用傅里叶定律对贴壁流体层进行分析： 将牛顿冷却公式(5-1a)与上面公式联立，得到以下关系式： 该公式将对流传热表面传热系数与流体的温度场联系起来。 不同边界条件下的求解方法： 一类边界条件：已知壁面温度，求壁面法向温度变化率 二类边界条件：已知热流密度，即壁面法向温度变化率 已知，求壁面温度。 三类边界条件：h是未知数，并且λ是流体的值，与导热 第三类边界条件不同。 是一个无量纲数，是局部表面传热系数！ 流体内的 温度分布 联立 第5章 对流传热的理论基础 5.2 对流传热问题的数学描述 对流传热问题数学描述的组成： 微分方程组 质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 定解条件 对流传热问 题数学描述 5.2.1 运动流体能量方程的推导 1.简化假设 流体是二维的(仅在平面上分析，为了书写简洁) 2. 流体为不可压缩的牛顿型流体 (切应力服从牛顿粘性定律) 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 工程中常见的大 部分对流传热问 题能够满足上述 假设 第5章 对流传热的理论基础 2. 微元体能量收支平衡的分析 定义：能量微分方程描述运动流体的温度与有关物理量的关系； 基础：能量守恒定律及傅里叶导热定律 差异：流体流入、流出的一个微元体时所带入或带出的能量考虑进来 根据热力学第一定律，得到： 其中： 为质量流量，h为流体的比焓， 下标in及out表示进及出，U为微元体的 热力学能，Φ为通过界面由外界导入微 元体的热流量；Wnet为流体所做的净功。 忽略位能和势能的变化,流体不做功,那么 第5章 对流传热的理论基础 由导热进入微元体的热量，在二维问题，在dτ时间内这一热量： 在dτ时间内，微元体中流体温度改变了 ，其热力学能的增量为 由于流体流入、流出微元体带入带出的焓差分别从x及y方向计算： 在dτ范围内，在x处得截面进入微元体的焓为： 在dτ范围内，在x+dx处得截面流出微元体的焓为： 第5