传热学课件第五 对流传热的理论基础.pptVIP

第五章对流传热的理论基础 对流换热分类小结 流动是二维的 流体为不可压缩的牛顿型流体 流体物性为常数、无内热源； 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计 §5-3 边界层型对流传热问题的数学描写 1. 物理现象 当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴附于壁面的流体速度实际上等于零，在流体力学中称为贴壁处的无滑移边界条件。 靠近壁面处流体速度发生显著变化的这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定 ： （主流速度）处的距离 为流动边界层厚度，记为 。 二、热边界层(温度边界层thermal boundary layer) §5-4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论 1.流体外掠等温平板传热的层流分析解 2 动量守恒方程 动量微分方程式描述流体速度场，可以从微元体的动量守恒分析中建立 牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率 作用力 = 质量 ? 加速度（F=ma） 作用力：体积力、表面力 体积力: 重力、离心力、电磁力 表面力: 由粘性引起的切向应力及法向应力，压力等 动量微分方程 — Navier-Stokes方程（N-S方程） (1)—惯性项（ma）；(2)—体积力；(3)—压强梯度；(4)—粘滞力。 对于稳态流动： 只有重力场时： 3 能量守恒方程 导热引起净热量+热对流引起的净热量=微元体内能的增量 1、导热引起的净热量 2、热对流引起的净热量 X方向热对流带入微元体的焓 X方向热对流带出微元体的焓 是常量，提到微分号外边，变为 X方向热对流引起的净热量 y方向热对流引起的净热量 热对流引起的净热量 连续性方程 热对流引起的净热量简化为 微元体内能增量 导热引起净热量+热对流引起的净热量=微元体内能的增量 整理得二维、常物性、无内热源的能量微分方程 非稳态项 对流项 扩散项 动量守恒方程 能量守恒方程 对于不可压缩、常物性、无内热源的二维问题，微分方程组为： 质量守恒方程 前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程： 计算当地对流换热系数 4个方程，4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和温度场(t)以及压力场(p), 既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值） 一. 流动边界层 (1)利用它可以简化方程. (2)定性分析传热过程 边界层的作用： 实验测定 若用仪器测出壁面法向（　 向）的速度分布，如上图所示。在 　　 处， 　 ；此后随 ， 。 经过一个薄层后 接近主流速度。 3.定义 (1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分. 分界点 Rec=3X105~3X106,一般可取Rec=5X105 在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层） (2) ?=?(x) x? ?(x) ? (3) ?(x) x ?(L) L (4) 流场分为: 主流区 (undisturbed flow regime)(potential) 边界层区(boundary regime) 4.边界层的特点 5.物理意义 在这样薄的一层流体内，其速度梯度是很大的。在 的薄层中，气流速度从 变到 ，其法向平均变化率高达 。 根据牛顿粘性定律，流体的剪应力与垂直运动方向的速度梯度成正比，即： 式中： —— 向的粘滞剪应力； —— 动力粘度 。 假如流体的温度为t∞ (t∞≠tw ),将有热量传递。 定义: 在壁面附近温度发生显著变化的薄层. 热边界层的厚度:过余温度?=t-tw=0.99(t?-tw)至壁面的距离?t 边界层的特点:与流动边界层相同 二、边界层微分方程组 牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,二维,略去重力. 数量级分析已知：u，t，l 的量级为0(1) ?， ? t 的量级为0(?） 以此五个量为分析基础。 故 故 的平均值为 故 由连续性方程 则 故 这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致） x方向的动量扩散可以忽略 x方向的导热可以忽略，最后得到 其中dp/dx是已知量，可由主流区理想流体的Bernoulli方程确定（忽略重力或平面流动） 边界条件： (1) 流体以速度 流进平板前缘后，边界层逐渐增厚，但在某一距离 以前会保持层流。 (2) 但是随着边界层厚度的增加，必然导致壁面粘滞力对边界层外缘影响的减弱。自 处起，层流向湍流过渡（过渡区