传热学第五章ppt.ppt

对于非稳态问题，保证各物理量相似还需满足： 物理相似的三个注意点： a.必须是同类现象才可能相似。 b.物理量场的相似倍数间存在特定的制约关系。 c.物理量相似发生在空间和时间坐标上对应的点。 二、相似原理 1.相似性质——相似的现象，其同名相似准则必定相等 雷诺准则 ——受迫对流中惯性力和黏滞力的相似倍数之比 格拉晓夫准则 ——自然对流中浮升力和黏滞力的相似 倍数之比 普朗特准则 ——流体动量传递能力和热量传递能力的相对大小 努谢尔特准则 ——壁面法向无量纲过余温度梯度的大小， 反映对流换热的强弱 2.相似准则间的关系 混合对流： 受迫对流： 自然对流： Pr近似为常数（空气）时的受迫对流： 3.判别相似的条件 同类现象 单值性条件相似 同名的已定准则相等 相似三原理——对流换热的实验研究方法 a.测量相似准则中包含的全部物理量 b.实验结果整理成准则关联式 c.将准则关联式推广应用到相似的现象 ——资料搜集 ——归纳 ——演绎 三、实验数据的整理方法——通常整理成幂函数的形式 各系数确定方法——双对数坐标图解法 以： 为例，将准则关联式两边取对数，得： 将Re和Nu的每组实测数据绘制于双对数坐标系（lgRe为横坐标， lgNu为纵坐标），并在所有分散点正中间绘制一条直线，在图中 测出该直线截距lgC和斜率n,即可得出c和n两系数。 第五章重点： 1.影响对流换热的因素 2.对流换热问题的数学描述 3.边界层理论和数量级分析方法 4.外掠平板层流和紊流换热准则方程 5.相似原理及其意义 第五章 对流换热分析 研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程 研究目的——确定牛顿冷却定律 中的h 对流表面 传热系数 局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数 确定对流表面传热系数的四种方法 分析法 类比法 数值法 实验法 Isaac Newton(1642-1727) 常见对流换热设备： 壳管式 换热器 蒸汽锅炉水循环系统 冷凝器 连续肋片管束 环肋片管束 采暖散热器 第一节 对流换热概述 影响对流换热的因素 一、流动的起因和流动状态 起因 自然对流 受迫对流 流动状态 层流 紊流 混合对流 二、流体的热物理性质 （比热容、导热系数、密度、黏度、体积膨胀系数等） 比热容和密度大，单位体积流体能携带更多能量 导热系数大，流体内部导热能力强 黏度小，流体流动顺畅 h增大 体积膨胀系数 对理想气体 Re增大——h增大 定性温度——换热中起主导作用的温度，以此特征 温度确定物性参数，可将物性参数按常数处理 三、流体的相变（凝结、沸腾、融化、凝固、升华、凝华） 冷凝器 锅炉 四、换热表面几何因素 （壁面尺寸、粗糙度、形状及与流体的相对位置) 对流表面传热系数h的多参数函数 定型尺寸——换热中有决定意义的尺寸，以此特征 尺寸作为分析计算的依据，能准确反映物体形状对 换热的影响 对流换热情况分类 第二节 对流换热微分方程组 对流换热问题总的求解步骤（二维不可压缩牛顿型流体） 速度场 温度场 hx h 已知条件 动量方程 能量方程 过程方程 一、对流换热过程微分方程式 推导依据：流体在贴壁处处于无滑移状态，贴壁流体层仅有导热发生 根据傅立叶导热定律： 根据牛顿冷却定律： 对流换热过程方程： 二、连续性方程 推导依据——质量守恒定律 各方向流进和流出微元体的质量流量： 将以上四式代入质量守恒定律： 得出： 三、动量微分方程式(N?S方程) 推导依据——牛顿第二定律F＝ma 1.微元体的质量×加速度： 在两个方向的分量分别为： 2.微元体所受的外力：（x,y两方向） 将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体： 将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到： 惯性力 体积力 压强梯度 黏滞力 对稳态流动： 当只有重力场作用时： 四、能量微分方程式 推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量： 根据傅立叶定律： x方向导入的净热量： y方向导入的净热量： 2.对流热量： 由左方进入微元体的焓值： 由下方进入微元体的焓值： x方向对流入的净热量： y方向对流入的净热量： 3.内能增量： 将1、2、3代入能量守恒关系式，得出： 应用连续方程将其简化，得出： 或可写为： 五、对流换热微分方程组 5个方程,5个未知数(h,u,v,t,p)， 理论上存在唯一解 但由于方程组过于复杂，实际不可求解，必须进一步进行简化 第三节 边界层换热微分方程组 Ludwig Prandtl (1875-1953) 一、流动边界层 1.定义： 研究目的—— 简化对流换热微分方程组 距离壁面 处以内的流体层 2.流动边界层的5个特点