第5章对流换热.ppt
《第5章对流换热.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第5章对流换热.ppt(68页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、2019/6/17,68-1,第五章 对流换热的理论基础,2019/6/17,68-2,对流换热(Convection heat transfer),对流换热:流体与固体壁直接接触时所发生的热量 传递过程, 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,2019/6/17,3,对流换热实例,2019/6/17,68-4,再生冷却的火箭发动机,2019/6/17,68-5,牛顿冷却公式,牛顿冷却公式也是表面传热系数h的定义式,没有揭示表面传热系数和影响它的有关物理量之间的内在关系。研究对流换热的主要任务就是揭示这些内在关系,寻求确定h的方法和表达式。,2019/6/17,68-
2、6,5-1 对流传热概说,2019/6/17,7,对流换热的特点: (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,2019/6/17,8,一、对流传热的影响因素,对流换热:导热 + 热对流,影响因素:流动起因、流动状态、流体有无相变、换热表面的几何因素、流体的热物理性质等,1、流动起因:,自然对流(Free convection):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(Forced convection): 由外力(如:泵、风
3、机、水压头)作用所产生的流动,2019/6/17,9,3、流动状态:,层流(Laminar flow):整个流场呈一簇互相平行的流线,湍流(紊流)(Turbulent flow):流体质点做复杂无规则的运动,2、流体有无相变:,单相换热(Single phase heat transfer),相变换热(Phase change heat transfer) : 凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,2019/6/17,10,4、换热表面的几何因素: (形状、尺寸、表面状况、流动方向与表面相对位置等),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,5、流体的热物理性质:,热导率
4、,密度,比热容,动力粘度,运动粘度,体胀系数,2019/6/17,11,综上所述,表面传热系数是众多因素的函数:,如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题,2019/6/17,68-12,二、对流传热分类,2019/6/17,13,三、对流传热的研究方法 (1)分析法; (2)实验法; (3)比拟法; (4)数值法,1、分析法 对描述对流换热的微分方程及定解条件进行求解,从而获得速度场与温度场的分析解。,求解困难,只有少数简单问题能得到分析解; 分析解能揭示各物理量对表面传热系数的依变关系,可评价其它方法所得到的结果。,2019/6/17,68-14,2、实验法 获得表面传热系数的主要方
5、法; 试验测定通常应用相似原理。,3、比拟法 通过研究动量传递与热量传递的共性与类似特性,建立表面传热系数与阻力系数间的相互关系。 实验测定阻力系数比较容易,可根据测定的阻力系数计算相应的表面传热系数。 由于测试技术提高及计算机飞速发展,现在已较少应用。,4、数值法 比导热数值方法困难得多,可参考有关文献。,2019/6/17,15,四、如何由温度场计算表面传热系数,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:
6、,2019/6/17,16,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,h 取决于流体热导率、温差和贴壁流体的温度梯度,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),速度场和温度场由对流换热微分方程组确定:,连续性方程、动量方程、能量方程,2019/6/17,68-17,5-2 对流传热问题的数学描述,2019/6/17,18,假设:a) 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,4个未知量:速度 u、v ;温度 t ;压力 p,连续性方程(1) 动
7、量方程(2) 能量方程(1),(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),b) 所有物性参数(、cp、)为常量,需要4个方程,2019/6/17,19,一、连续性方程(Continuity equation),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:,2019/6/17,20,单位时间内、沿 x 轴方向流入微元体的净质量:,单位时
8、间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量:,2019/6/17,21,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:,单位时间内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,2019/6/17,22,二维连续性方程,二维、稳态流动、密度为常数时:,三维连续性方程,三维、稳态流动、密度为常数时:,2019/6/17,68-23,二、动量微分方程(Momentum equation),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,动量微分方程式描述流体速度场, 动量守恒,作用力 = 质量 加速度(F=ma),作用力:体积力、表面力,体积力:重力、
9、离心力、电磁力,2019/6/17,68-24,表面力:法向应力和粘性引起的切向应力等,法向应力 中包括了压力 p 和 法向粘性应力 ii,压力 p 和法向粘性应力 ii的区别:,a) 无论流体流动与否, p 都存在;而 ii只存在于流动时,b) 同一点处各方向的 p 都相同;而 ii与方向有关,2019/6/17,25,动量微分方程 Navier-Stokes方程(N-S方程),(1) 惯性项(ma);(2) 体积力(彻体力); (3) 压强梯度; (4) 粘滞力,对于稳态流动:,只有重力场时:,2019/6/17,26,三、能量微分方程(Energy equation),微元体的能量守恒:
10、,导入与导出的净热量 + 热对流传递的净热量 + 内热源发热量 = 总能量的增量 + 对外作膨胀功, = E + W,(1)压力作的功: a) 变形功;b) 推动功,(2)表面应力(法向+切向)作的功:a) 动能;b) ,2019/6/17,27, = E + W,(1)压力作的功: a) 变形功;b) 推动功,W ,(2)表面应力(法向+切向)作的功:a) 动能;b) ,假设:(1)流体的热物性均为常量,耗散热,一般可忽略,(2)流体不可压缩,(4)无化学反应等内热源,(3)一般工程问题流速低,导热 + 对流 = U热力学能 + 推动功 = H,耗散热( ):由表面粘性应力产生的摩擦力而转变
11、成的热量,2019/6/17,28,导热 + 对流 = H,微元体的能量守恒:,单位时间内、 沿 x 轴方向导入与导出微元体净热量:,单位时间内、 沿 y 轴方向导入与导出微元体净热量:,2019/6/17,29,导热 + 对流 = H,微元体的能量守恒:,单位时间内、 沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量:,单位时间内、 沿 y 方向热对流传递到微元体的净热量:,2019/6/17,30,单位时间内、微元体内焓的增量:,导热 + 对流 = H,微元体的能量守恒:,2019/6/17,31,其中:,2019/6/17,32,能量微分方程式 (常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体),柱坐标
12、下的能量微分方程式 (常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体),2019/6/17,33,对流换热微分方程组 (常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体),4个方程,4个未知量 可求得速度场和温度场,既适用于层流,也适用于紊流(瞬时值),连续性方程:,动量方程:,能量方程:,2019/6/17,34,确定表面传热系数的方程组,连续性方程:,动量方程:,能量方程:,2019/6/17,35,表面传热系数的确定方法,(1)微分方程式的数学解法,b)近似积分法: 假设边界层内的速度分布和温度分布,解积分方程,c)数值解法:近年来发展迅速 可求解很复杂问题:三维、紊流、变物性、超音速,(2)动量传递
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 对流
链接地址:https://www.31doc.com/p-2979909.html