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第四章对流换热原理
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在绪论中已经指出,对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的
热量传递过程,是属于发生在流体中的热量传递过程,有着广泛的工程应用领
域。由于在这一过程中流体的运动,热量将主要以热传导和热对流的方式进行。
本章简述对流换热过程的基本原理,介绍确定表面传热系数 h 的方法。
首先,将质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律与斯托克斯粘性定律
和傅里叶热传导定律相结合,并应用于流体系统,导出支配流体速度场和温度
场的控制方程,即对流换热微分方程组。其次,运用相似理论及量纲分析方法
对换热过程的参数进行归类处理,将物性量,几何量和过程量按物理过程的特
征组合成无量纲数,以减少所研究问题的变量数目,给求解对流换热问题带来
较大的方便;并介绍通过方程的无量纲化和实验研究而得到常用准则及准则关
系式的方法。再次,引入边界层的概念,对完全的对流换热微分方程组进行简
化,得出特定条件下对流换热问题的分析解。最后,对于紊流流动换热现象的
特征及其处理方法进行简单的介绍。
§4-1 对流换热概述
1 对流换热过程
对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程,是宏
观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。由于涉及流体的运动使热量的传
递过程变得较为复杂,分析处理较为困难。因此,在对流换热过程的研究和应
用上,实验和数值分析的处理方法是常常采用的。下面我们以简单的对流换热
过程为例,对对流换热过程的特征进行粗略的分析。
图 4-1 给出了一个简单的对流换热过程。它表示了流体以来流速度 u∞和来
流温度 t∞流过一个温度为 t w 的固体壁面的流动换热问题。这里选取流体沿壁面
流动的方向为 x 坐标、垂直壁面方向为 y 坐标。
由于固体壁面对流体分子的吸附作用,使得壁面上的流体是处于不流动或
不滑移的状态(此论点对于极为稀薄的流体是不适用的)。又由于流体分子相互
之间的穿插扩散和(或)相互之间的吸引造成流体之间的相互牵制。
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T
y ∞
u∞
0
Tw x
图 4-1 对流换热过程示意图
这种相互的牵制作用就是流体的粘性力, 在其作用下会使流体的速度在垂直于
壁面的方向上发生改变。由于流体的分子在固体壁面上被吸附而处于不流动的
状态,因而使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。同时,
通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导),并不断地被
流体的流动而带到下游(热对流),因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁
面温度变化到来流温度。这里,我们把流体在壁面附近的速度和温度分布也示
意性地表示在图 4-1 中。
2 对流换热过程的分类
由于对流换热是发生在流体和固体界面上的热交换过程,流体的流动和固
体壁面的几何形状以及相互接触的方式都会不同程度影响对流热交换的效果,
由此也构成了许许多多复杂的对流换热过程。因此,为了研究问题的条理性和
系统性,以及更便于把握对流换热过程的实质,我们按不同的方式将对流换热
过程进行分类。然后再分门别类地进行分析处理。
在传热学中对流换热过程的习惯性分类方式是:
按流体运动是否与时间相关可分为非稳态对流换热和稳态对流换热;
按流体运动的起因可分为自然对流换热和强制对流换热;
按流体与固体壁面的接触方式可分为内部流动换热和外部流动换热;
按流体的运动状态可分为层流流动换热和紊流流动换热;
按流体在换热中是否发生相变或存在多相的情况可分为单相流体对流换热
和多相流体对流换热。
对于实际的对流换热过程的,按照上述的分类,总是可以将其归入相应的
类型之中。例如,在外力推动下流体的管内流动换热是属于强制内部流动换热,
可以为层流亦可为紊流,也可以有相变发生,使之从单相流动变为多相流动;
再如,竖直的热平板在空气中冷却过程是属于外部自然对流换热(或称大空间
自然对流换热),可以为层流亦可为紊流,在空气中冷却不可能有相变,应为单
相流体换热;但是如果是在饱和水中则会发生沸腾换热,这就是带有相变的多
相换热过程。
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3 表面传热系数和对流换热微分方程
在绪论中提到对流换热的热流密度可以按照牛顿冷却公式来计算,即
qc = h(t w − t∞) ,式中的 h 称表面传热系数(亦称对流换热系数),其单位是
W /(m 2 ⋅ K) 。采用这样的书写形式是为了使热流的方