文档介绍：第四章流体无相变时的 对流换热
一、对流换热概述
1. 定义:
流体流过与其温度不同的固体壁时所发生的热量传递称对流换热。对流换热是由热对流与热传导两部分组成的。
2. 牛顿冷却公式
对流换热的换热量由牛顿冷却公式计算。
从公式可知,要计算换热量,温度及面积比较容易得到,
主要任务是如何求得对流换热系数α。
3. 求换热系数α的两种基本途径
(1)分析法(解析解,理论分析法)
a 建立边界层内的微分方程组求解α
思路:取控制体,利用能量守恒和动量守恒建立微分方程组结合单值性条件。
b. 建立边界层的积分方程组求解α(近似解法)
c. 利用动量和能量的比拟方法(类比法)
(2)实验研究方法:
用相似原理或量纲分析法,将众多的影响因素归纳成为数
不多的几个无量纲的准则,通过实验确定α的具体关系式。
(3)两者的联系和区别(理论分析法和实验研究方法)
两种方法在解决对流换热问题上起相辅相成的作用。虽
然解析解不能求解各种各样对流换热问题,但能深刻地揭示
出各个物理量对换热系数的影响,而且也是评价其它方法所
得结果的标准和依据,而实验研究方法可以得到具体的表达
方式,而且是设计计算的主要计算式,是必须掌握的内容。
4. 对流换热问题的分类
对流换热
无相变
有相变
强制对流
内部流动
外部流动
自然对流
混合对流
沸腾换热
凝结换热
外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
外掠圆管管束的对流换热
外掠其它截面形状柱体的对流换热
射流冲击换热
圆管内强制对流换热
其它形式截面管道内的对流换热
大空间自然对流
有限空间自然对流
大容器沸腾
管内沸腾
管外凝结
管内凝结
5. 影响对流换热的影响因素
(1)流体流动的起因:强制对流换热和自然对流换热流动的成因不同,流体中的速度场也有差别,换热规律不一样。
(2)流体有无相变:无相变—显热;有相变—潜热
(3)流体的流动状态:层流、湍流
(4)换热表面的几何因数:换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态(光滑或粗糙)
(5)流体的物理性质:流体密度、动力粘度、导热系数及定压比热容等
6. 边界层(附面层)的概念
由于流体都存在着粘性,所以流体流过壁面时,在壁面附近区域的流体温度和速度均发生了很大的变化。实验研究表明,换热系数的大小主要取决于这一区域内流体的流动情况,这一区域称边界层。
(1)速度边界层(以流过平壁为例)
如果流体为没有粘性流体,流体流过平板时,流速在截面上一直保持不变。
如果流体为粘性流体,情况会如何呢?我们用一测速仪来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上,即y方向上,壁面上速度为零,随着y方向的增加,流速急剧增加,到达一薄层后,流速接近或等于来流速度,普朗特研究了这一现象,并且在1904年第一次提出了边界层的概念。
a. 边界层产生原因:
由于粘性的作用,流体与壁面之间产生一粘滞力,粘滞力使得靠近壁面处的速度逐渐下降,最后使壁面上的流体速度降为零,流体质点在壁面上产生一薄层。随着流体的流动,粘滞力向内传递,形成的薄层又阻碍邻近流体层中微粒运动的作用,依此类推,形成的薄层又阻碍邻近流体层微粒运动,到一定程度,粘滞力不再起作用。
流体无粘性时
流体有粘性时
u∞
u∞
u∞
u∞
形象说明边界层的形成过程
b. 两个概念:速度(流动)边界层和边界层厚度
速度边界层:近壁处有一法向速度梯度的薄层。
边界层厚度:从速度为零的壁面到速度达到u∞的99%处的法向距离,用δ表示。
边界层厚度是随x的增加而增加的,但是一个很小的量。
为定量地说明它的大小,下面举例说明:
20的空气以uf=10 m/s流过平板时,在x=100mm处,δ=;x=200mm处,δ=。从这个例子可以看出, δ>> x(l),在这样薄的流体内,速度从零变化到接近来流速度uf ,可见平均速度是很大的。为定性地说明速度的变化,人为地把边界层夸大了。
c. 流场的划分
从分析速度边界层中知,在边界层外,法向速度已接近或达到来流速度,粘性已不起作用,称主流区(自由区),可看作理想流体。
流场可以化分为边界层去和主流区
d. 流动状态
流体的流动可分为层流和紊流,在边界层内,流型也可以分为层流和紊流。
在紊流边界层中,又可以人为地划分成三个区域:
层流底层
缓冲层
紊流核心