第九章湍流流动与换热.pptVIP

高等传热学内容 第一章 导热理论和导热微分方程 第二章 稳态导热 第三章 非稳态导热 第四章 凝固和熔化时的导热 第五章 导热问题的数值解 第六章 对流换热基本方程 第七章 层流边界层的流动与换热 第八章 槽道内层流流动与换热 第九章 湍流流动与换热 第十章 自然对流 第十一章 热辐射基础 第十二章 辐射换热计算 第十三章 复合换热 第九章 湍流流动与换热 前面两章讨论的是外掠物体和管内流动的层流对流换热，然而不可能在所有Re数下都能得到层流。 由流体力学可知，当Re数超过一定数值后，流体中会出现脉动，层流可发展成为或诱导出更加复杂的流动——湍流。 湍流传热问题包括湍流的流动行为、工程传热中的主要应用以及湍流如何进行热量与动量传递。 本章将扼要介绍湍流的基本概念、湍流传热的基本处理方法和一些经验关系式。 9-1 湍流的基本概念 9-1-1 层流到湍流的过渡 1883年，雷诺通过对管内流动状态的观察和研究，首先发现了流态分为本质上的不同的层流和湍流。由层流过渡到湍流的原因十分复杂，一般可以理解为是微小的扰动在一定条件下被放大，使层流失去稳定性，成为湍流。引起扰动的因素主要有来流的不均匀性、流体中杂质引起的物性的突变、来流温度的不均匀。影响层流过渡到湍流的因素还包括自由流的压力梯度、表面粗糙度、传热量等以及湍流强度。层流过渡到湍流是在一个区域内逐渐完成的，该区域称为过渡区。过渡开始时的雷诺数称为临界雷诺数Recr，不同的流动方式有不同的临界雷诺数：一般管内流动取Recr = 2300～104，外掠物体时取Recr＝6×104～ 5×106。如果湍流强度很低，表面很光滑，则临界雷诺数可以提高几个数量级。一些研究者用激光对直管进行研究，发现临界雷诺数可达几十万。 层流向湍流的过渡有几个特征：边界层厚度迅速增加(如图9-1所示)；速度分布由层流时的布劳修斯分布变得较平坦，最终趋于1/7次方指数分布；边界层的位移厚度与动量厚度之比急剧下降。 粘性流体稳定性理论认为，层流向湍流的过渡是发生在局部地点的现象，因而不少研究者采用边界层动量厚度作为临界雷诺数的定型尺寸。 9-1 湍流的基本概念 9-1-2 湍流结构及时均描述方法 湍流对流换热是近年来的主要研究课题之一，许多研究者对湍流传热问题给出了系统的总结。纵观湍流传热的研究历史，一个世纪以来，始终遵循雷诺、布斯涅斯克和普朗特提出的理论。 由层流到湍流的过渡是一个十分复杂的过程，对这个区域的研究仍是当代学者的主要任务之一，目前尚无较准确的描述，因而以后篇幅所涉及的均是旺盛湍流。 湍流是一种随机、非定常的、三维有旋流动，由各种尺寸的涡组成。涡是三维的，其大小、强度及其产生的地点、周期均不规则。Bejan认为湍流具有大尺度上的相同结构。一般解决湍流传热问题的基本方式与过去讨论的层流问题一样、是基于时间平均法则的描述。实验研究表明．湍流中涡团的尺度远大于分子平均自由行程，连续介质假设仍然成立。 根据雷诺提出的时均化法则，描述湍流流动与换热的物理量的瞬时值ф时可以用时均值 与脉动值 之和表示。如图9-2所示。即 (9-1-1) 其中时均值定义为 (9-1-2) 时均值随时间变化的湍流称非稳态湍流，不随时间变化的湍流称为稳态湍流。 时均法则的基本出发点是一段时间内脉动量的时均值为零，即 (9-1-3) 即 (9-1-4) 类似地可以得到一系列时均法规则。流体的湍流强度通常用下