第十章对流换热基础.ppt

对第二类边界条件. 相似原理 (1) 变量太多 试验中我们需要解决哪些问题? (2) 当试验由于尺度难以实施或代价昂贵时怎么办？ 相似原理 物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。 同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。 物理现象相似的特性 同名特征数对应相等； 各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数： 特征数方程：无量纲量之间的函数关系 物理现象相似的条件 同名的已定特征数相等:Re, Pr 单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件 实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题 按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式 ——解决了实验中实验数据如何整理的问题 可以在相似原理的指导下采用模化试验 —— 解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题 (1)模化试验应遵循的原则 a 模型与原型中的对流换热过程必须相似；要满足上述判别相似的条件 b 实验时改变条件，测量与现象有关的、相似特征数中所包含的全部物理量，因而可以得到几组有关的相似特征数 c 利用这几组有关的相似特征数，经过综合得到特征数间的函数关联式 1 如何进行模化试验 相似原理的应用 (a) 流体温度： (2)定性温度、特征长度和特征速度 a 定性温度：相似特征数中所包含的物性参数，如： ?、 ?、Pr等，往往取决于温度 确定物性的温度即定性温度 流体沿平板流动换热时： 流体在管内流动换热时： (b) 热边界层的平均温度： (c) 壁面温度： 在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如： 使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致 b 特征长度：包含在相似特征数中的几何长度； 应取对于流动和换热有显著影响的几何尺度 如：管内流动换热：取直径 d 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度： 当量直径(de) ：过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直径 Ac —— 过流断面面积，m2 P —— 湿周，m c 特征速度：Re数中的流体速度 流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度 管内流动：取截面上的平均速度 流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度 2 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式 3 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系） 特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性 目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式： 式中，c、n、m 等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定 实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算 机确定各常量 特征数关联式与实验数据的偏差用百分数表示 幂函数在对数坐标图上是直线 （1） 实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测） （2） 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系） （3） 实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？ ① 回答了关于试验的三大问题： ② 所涉及到的一些概念、性质和判断方法： 物理现象相似、同类物理现象、 物理现象相似的特性、 物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度 ③ 无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法 自然对流换热： 混合对流换热： 强制对流: ④常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义 ⑤模化试验应遵循的准则数方程 试验数据的整理形式： 热边界层 热流量 热流量可类比于速度边界层的粘性应力 在固体表面正比于温度梯度,且由于u(y=0) =0, 在紧贴壁面处，热量传递依靠导热 由于热边界层厚度沿x方向增大，因此温度梯度也随x变化 流体导热系数 壁面处的温度梯度 Tw 由牛顿冷却公式: ?t 沿x方向增大，因此温度梯度沿x方向减小 因此, 局部热流量和 hx沿x方向减小 ?与?t 不一定相等 层流：温度呈抛物线分布 故：湍流换热比层流换热强！ 湍流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流 湍流：温度呈幂函数分布 如何求解对流换热微分方程组（N-S方程）? 热边界层内各变量的量级分析 变量 x (主流方向) y u v t 量级 1 1 1 热边界层 速度边界层 边界层分析法Boundary Layer Approximations 连续性方程: x-动量方程: y-动量方程: P(x)——由主流区理想流体的伯努利方程确定 So: 能量方程: 注意: