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* 第五章 对流换热 * 第五章 对流换热 Convection Heat Transfer 第五章 对流换热 * §5-1 对流换热概述 1 对流换热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象。 ● 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电 风扇 ● 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 第五章 对流换热 * (1) 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 (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 2 对流换热的特点 3 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式: 第五章 对流换热 * 4 表面传热系数（对流换热系数） —— 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 如何确定h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： （1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法 第五章 对流换热 * 5 对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无相变; (4)换热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质 6 对流换热的分类： (1) 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 第五章 对流换热 * (2) 流动状态 (3) 流体有无相变 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流：流体质点做复杂无规则的运动 （紊流） （Laminar flow） （Turbulent flow） 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） 第五章 对流换热 * (4) 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 第五章 对流换热 * (5) 流体的热物理性质： 热导率 密度 比热容 动力粘度 运动粘度 体胀系数 第五章 对流换热 * 综上所述，表面传热系数是众多因素的函数： 第五章 对流换热 * 对流换热分类小结 如习题(1-3) 第五章 对流换热 * 7 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：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 根据傅里叶定律： 第五章 对流换热 * 根据傅里叶定律： 根据牛顿冷却公式：? 由傅里叶定律与牛顿冷却公式： 对流换热过程 微分方程式 第五章 对流换热 * 温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（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 速度场和温度场由对流换热微分方程组确定： 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程 对流换热过程微分方程式 hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度 第五章 对流换热 * §5-2 对流换热问题的数学描述 b) 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 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 c) 所有物性参数（?、cp、?、?）为常量 4个未知量:：速度 u、v；温度 t；压力 p 连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3) 需要4个方程: a) 流体为连续性介质 假设： 第五章 对流换热 * 1 质量守恒方程(连续性方程) M 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 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体 单位时间内、沿x轴方向、经x表面流入微元体的质量 单位时间内、沿x轴方向、经x+dx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： 第五章 对流换热 * 第五章 对流换热 * 单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量： 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： 流入微元体的净质量 = 微元体内流体质