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第五章 对流换热.ppt

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第五章 对流换热,5-1 概 述 牛顿冷却公式 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象,对流换热量可以用牛顿冷却公式来计算: = A h( tw-tf ) q = h( tw-tf ),h—整个表面的平均表面传热系数; tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度,对于外部绕流,tf取远离壁面的流体主流温度; 对于内部流动tf取流体的平均温度。,,对于局部对流换热 于是,如果固体表面温度均匀(等壁温边界),将该式与前式比较,可以得出固体表面温度均匀条件下平均表面传热系数与局部表面传热系数之间的关系式:,如何确定表面传热系数的大小是对流换热的核心问题,也是本章所要讨论的主要内容。,2. 对流换热的影响因素,对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。因此,凡是影响流体导热和对流的因素都将对对流换热产生影响. 主要有以下五个方面:,(1)流动的起因 强迫对流 指流体在风机、水泵或其它外部动力作用下产生的流动。 2) 自然对流 指流体在不均匀的体积力(重力、离心力及电磁力等)的作用下产生的流动。 一般的说,自然对流的流速较低,因此自然对流换热通常要比强迫对流换热弱,表面传热系数要小。,(2) 流动的状态流体的流动有层流和紊流两种流态。 层流时流速缓慢,流体将分层地平行于壁面方向流动,宏观上层与层之间互不混合,因此垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散(即导热)。 紊流时流体内存在强烈的脉动和旋涡,使各部分流体之间迅速混合。流体紊流时的热量传递除了分子扩散之外主要靠流体宏观的紊流脉动,因此紊流对流换热要比层流对流换热强烈,表面传热系数大。,(3) 流体有无相变由于流体在沸腾和凝结换热过程中吸收或者放出汽化潜热,沸腾时 流体还受到气泡的强烈扰动,所以流体发生相变时换热的规律以及换 热强度和单相流体不同。,(4) 流体的物理性质对导热和对流产生影响的物性都将影响对流换热。 热导率 : 愈大,流体导热热阻愈小,对流换热愈强烈; 密度 比热容反映单位体积流体热容量的大小,其数值愈大,通过对流所转移的热量愈多,对流换热愈强烈; 4. 动力粘度流体的粘度影响速度分布与流态(层流还是紊流) 5. 体胀系数理想气体,,,,,,,定性温度用来确定物性参数数值的温度.由于流体的物性参数随流体的种类、温度和压力而变化。对于同一种不可压缩牛顿流体,其物性参数的数值主要随温度而变化。在分析计算对流换热时,定性温度的取法取决于对流换热的类型,常用的有: 流体的平均温度 壁面温度 流体与壁面的算术平均温度,,,(5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺寸; 相对位置 表面粗糙度等几何因素将影响流体的流动状态,因此影响速度分布和温度分布,对对流换热产生显著的影响。,,综上所述,一般函数关系式可表示为,,式中 l 为换热表面的特征长度,习惯上称为定型尺寸,通常是指对换热影响最大的尺寸,如管内流动时的管内径,横向外掠圆管时的圆管外径等;为换热表面的几何因素,如形状、相对位置等。,,3. 对流换热的主要研究方法,研究对流换热的主要目的之一就是确定不同换热条件下表面传热系数的具体表达式,主要方法有四种: 分析法用数学分析的方法求解描写对流换热的数学模型(对流换热微分方程或积分方程及其单值性条件)。尽管分析法只能求解简单的对流换热问题,但因数学分析方法严谨, 物理概念和逻辑推理清楚, 求解结果以函数的形式表示, 能清楚地显示各种因素对对流换热的影响,所以仍然是对流换热的基础内容。,(2) 数值法对流换热的数值解法应用愈来愈广泛,但由于对流换热控制方程的复杂性,使数值解法的难度和复杂性较大,求解结果需要验证。,(3) 实验法 由于分析法的局限性及数值法的可靠性所限,相似理论指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换热问题的主要方法; 并且随着现代测量技术的进步, 以前无法进行的对流换热微细结构和现象的观测现在得以实现,对尚未解决的对流换热(如紊流换热、沸腾换热等)机理的探索发挥着关键性的作用。 由于测量精确度的提高, 实验结果也常用来检验其它方法的准确性。,(4) 比拟法利用热量传递与动量传递在机理上的共性建立起表面传热系数与摩擦系数之间的比拟关系式.由比较容易进行的流体流动实验获得摩擦系数的数据,再由比拟关系式求出表面传热系数。比拟法曾广泛用于求解紊流对流换热问题,但近些年来由于实验法和数值解法的发展而很少被应用。,目前,理论分析、数值计算和实验研究相结合是科技工作者广泛采用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。,5-2 对流换热的数学描述,对流换热微分方程组及其单值性条件 对流换热微分方程为简化分析,做下列假设: 流体为连续性介质.努森数 流体的物性参数为常数,不随温度变化; 流体为不可压缩性流体。流速
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