1、工程流体力学与传热学第八章第八章 对流传热的理论基础对流传热的理论基础 8.1 8.1 对流传热概说对流传热概说 1 1、对流传热概念、对流传热概念对流传热与热对流不同，既有热对对流传热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式流，也有导热；不是基本传热方式实例：暖气管道；电子器件冷却等实例：暖气管道；电子器件冷却等流体流经固体时流体与固体壁面之间的热量传递现象流体流经固体时流体与固体壁面之间的热量传递现象2 2、对流传热的特点、对流传热的特点1)导热与热对流同时存在；（边界层导热与热对流同时存在；（边界层 u0）2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差必须有直接接触
2、（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差3)由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成由于流体的黏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；速度梯度很大的边界层；3 3、对流传热的基本计算式、对流传热的基本计算式)(tthAw()wqh ttA牛顿牛顿冷却公式冷却公式W2Wm注：注：h的大小反映了对流传热能力的强弱，而非物性参数。的大小反映了对流传热能力的强弱，而非物性参数。4 4、表面传热系数（对流换热系数）、表面传热系数（对流换热系数）只是对流传热系数只是对流传热系数h的一种定义方式，并未揭示出的一种定义方式，并未揭示出h与与影响它的各物理量之间的内在关系
3、影响它的各物理量之间的内在关系对流传热的对流传热的核心问题核心问题：如何确定如何确定h及增强换热的措施及增强换热的措施()whA tt定义式：定义式：5 5、影响、影响对流传热对流传热系数系数的各种因素的各种因素p 流体的流动状态流体的流动状态p 流体有无相变流体有无相变p 换热表面的几何因素换热表面的几何因素p 流体的物理性质流体的物理性质p 流体流动起因流体流动起因1)流动起因流动起因 2)流动状态流动状态自然对流：自然对流：流体因各部分温度不同流体因各部分温度不同 而引起的密度差异所产而引起的密度差异所产 生的流动生的流动强制对流：强制对流：由外力作用所产生的流由外力作用所产生的流 动（
4、泵、风机等）动（泵、风机等）层流运动：层流运动：流体微团沿着主流方向做有规流体微团沿着主流方向做有规 则的分层运动则的分层运动湍流运动：湍流运动：流体质点做复杂无规则的运动流体质点做复杂无规则的运动自然强制hhhh紊流层流3)流体有无相变流体有无相变换热表面的形状，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）面的状态（光滑或粗糙）单相换热：流体显热的变化实现对流换热中的热量单相换热：流体显热的变化实现对流换热中的热量 变换变换相变换热：在有相变的换热过程中，流体相变热相变换热：在有相变的换热过程中，流体相
5、变热 （潜热）的释放或吸收常常其主要作用（潜热）的释放或吸收常常其主要作用4)换热表面的几何因素换热表面的几何因素hh相变单相流体的热物理性质对换热的影响很大：流体的热物理性质对换热的影响很大：热导率热导率；密度；密度；比热容；比热容c；动力粘度动力粘度；运动粘度；运动粘度；体胀系数；体胀系数综上所述，表面传热系数是众多因素的函数综上所述，表面传热系数是众多因素的函数5)流体的物理性质流体的物理性质(,)wfphf v ttcl 对流传热分类树对流传热分类树6 6、对流传热的研究方法、对流传热的研究方法分析法分析法实验法实验法比拟法比拟法数值法数值法对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的
6、定解条件对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。目前工程设计的主要依据。目前工程设计的主要依据。为了减少实验次数，提高实验测定结果的通用性，实验测定应为了减少实验次数，提高实验测定结果的通用性，实验测定应当在相似原理指导下进行。当在相似原理指导下进行。通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表面传热系数见的相互关系的方法。面传热系数见的相互关系的方法。近近20年内得到迅速发展，并将会日益显示出其重要的作用。年内得到
7、迅速发展，并将会日益显示出其重要的作用。7 7、如何从解得的温度场来计算对流传热系数、如何从解得的温度场来计算对流传热系数当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作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；离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：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在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递 ,xwxwytq 处处流流体体的的温温度度梯梯度度在在坐坐标标流流体体的的热热导导率率,0)(C)(mW
8、 ,xytxw 壁面与流体之间的对流传热量就等于贴壁处静止流体层的导热量壁面与流体之间的对流传热量就等于贴壁处静止流体层的导热量在稳定的状态下在稳定的状态下)(,-tthqwxxw )CmW 2 （处处局局部部表表面面传传热热系系数数壁壁面面xhx壁面与流体之间的对流传热量壁面与流体之间的对流传热量,xwwxyttth （根据牛顿冷却公式）（根据牛顿冷却公式）对流传热过程微分方程式对流传热过程微分方程式hx取决于流体热导率、温度差和贴壁的温度梯度取决于流体热导率、温度差和贴壁的温度梯度温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（层流或湍流）、流速的大温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（
9、层流或湍流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。小及其分布、表面粗糙度等。要求解一个对流换热问题，获得该问题的对流传热系数或交换的热流量要求解一个对流换热问题，获得该问题的对流传热系数或交换的热流量获得流场的温度分布，即温度场获得流场的温度分布，即温度场确定壁面上的温度梯度确定壁面上的温度梯度计算出在参考温差下的对流传热系数计算出在参考温差下的对流传热系数温度场取决于流场温度场取决于流场1、假设条件假设条件 为简化分析为简化分析,对于影响常见对流换热问题的主要因素对于影响常见对流换热问题的主要因素,做如下假设做如下假设:1)流动是二维的流动是二维的;2)流体为不可压缩的牛顿型流体流体为不可压缩
10、的牛顿型流体;3)流体物性为常数流体物性为常数,无内热源无内热源;4)流速不高流速不高,忽略粘性耗散忽略粘性耗散(摩擦损失摩擦损失);8.2 8.2 对流传热问题的数学描写对流传热问题的数学描写yu4个未知量：速度个未知量：速度 u,v；温度温度 t；压力；压力 p需要需要4个方程个方程连续性方程连续性方程 (1)动量方程动量方程 (2)能量方程能量方程 (1)连续性方程连续性方程0yvxu动量方程动量方程 22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx 惯性力惯性力体积力体积力压力梯度压力梯度粘性力粘性力能量守恒方程能量守恒方程2222tttttuvaxyxy能
11、量变化能量变化对流项对流项导热项导热项2 2、对流传热微分方程组、对流传热微分方程组1）微分方程式的数学解法）微分方程式的数学解法 2）动量传递和热量传递的类比法）动量传递和热量传递的类比法 利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍流时的局部利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍流时的局部 表面摩擦系数推知局部表面传热系数表面摩擦系数推知局部表面传热系数3）实验法）实验法 用相似理论指导用相似理论指导3 3、表面传热系数的确定方法、表面传热系数的确定方法a 精确解法（分析解）：精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到边界层微分方程组常微分方程求解根据边界层理论，得到边界层微分方程组常
12、微分方程求解 b 近似积分法：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、超音速可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速1)几何条件几何条件 平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等2)物理条件物理条件 物性参数物性参数、c 和和 的数值，是否随温度和压力变化；有无的数值，是否随温度和压力变化；有无 内热源、大小和分布内热源、大小和分布3)时间条件时间条件 稳态对流换热过程不需要时间条件稳态对流
13、换热过程不需要时间条件与时间无关与时间无关4 4、对流传热过程的单值性条件、对流传热过程的单值性条件完整数学描述：对流传热微分方程组完整数学描述：对流传热微分方程组+单值性条件单值性条件4)边界条件边界条件 第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值 第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值1 1、流动边界层、流动边界层8.3 8.3 边界层概念及边界层换热微分方程组边界层概念及边界层换热微分方程组1)物理现象物理现象当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的
14、作用，在靠近壁面处流速当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在靠近壁面处流速逐渐减小，而在贴壁处流体将被滞止而处于无滑移状态逐渐减小，而在贴壁处流体将被滞止而处于无滑移状态2)实验测定实验测定 y=0，u=0；随着随着y 方向（离壁面距离）的增加，方向（离壁面距离）的增加，u迅速增大；迅速增大；经过厚度为经过厚度为 的薄层，的薄层，u 接近主流速度接近主流速度u。3)定义定义靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层流动边界层（速度边界层）流动边界层（速度边界层）边界层的厚度边界层的厚度：达到主流速度的达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离处至固体壁面的垂
15、直距离4)数量级数量级5)物理意义物理意义由牛顿粘性定律：由牛顿粘性定律：yux 速度梯度大，粘滞应力大速度梯度大，粘滞应力大边界层区：边界层区：流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运动微分方流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运动微分方 程组描述（程组描述（N-S方程）方程）主流区：主流区：速度梯度为速度梯度为0，=0；可视为无粘性理想流体；欧拉方程；可视为无粘性理想流体；欧拉方程边界层外：边界层外：u 在在y 方向不变化，方向不变化，粘滞应力为零粘滞应力为零主流区主流区边界层概念的基本思想边界层概念的基本思想0 yu流场可以划分为两个区流场可以划分为两个区6)掠过平
16、板时边界层的形成与发展掠过平板时边界层的形成与发展p 边界层厚度边界层厚度 与壁的定型尺寸与壁的定型尺寸L相比极小，相比极小，0.6的流体）的流体）中等以下温度差中等以下温度差温差的影响实质上是考虑流体热物理性质随温度变化而引起的影响温差的影响实质上是考虑流体热物理性质随温度变化而引起的影响在有换热的条件下，管子截面上温度是不均匀的在有换热的条件下，管子截面上温度是不均匀的1)迪图斯贝尔特关联式中给出的迪图斯贝尔特关联式中给出的Pr数的指数数的指数 数值加热与冷却时不同，是考虑流体物理性数值加热与冷却时不同，是考虑流体物理性 质随温度变化而引起的对热量传递过程影响质随温度变化而引起的对热量传递
17、过程影响 的一种最简单方式的一种最简单方式2)温度要影响黏度，所以截面上的速度分布与温度要影响黏度，所以截面上的速度分布与 等温流动的分布有所不同：等温流动的分布有所不同：以液体为例：温度降低，黏度升高，液体被以液体为例：温度降低，黏度升高，液体被 冷却时，近壁处的黏度较管心处为高，因而冷却时，近壁处的黏度较管心处为高，因而 速度分布低于等温曲线，变成曲线速度分布低于等温曲线，变成曲线2；若液；若液 体被加热，速度分布变成曲线体被加热，速度分布变成曲线31)边界层中温度和速度分布边界层中温度和速度分布8-6 大空间自然对流换热的实验关联式大空间自然对流换热的实验关联式固体壁面与流体的温差是自然
18、对流的根本原因固体壁面与流体的温差是自然对流的根本原因1、自然对流特点、自然对流特点 以热竖壁为例以热竖壁为例 不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄 层之内；层之内；流体的温度由壁面温度流体的温度由壁面温度t tw w变化为周围环境变化为周围环境 温度温度t t；薄层内的速度分布呈两头小中间大；薄层内的速度分布呈两头小中间大；壁面处速度为零，在薄层外缘，由于温度壁面处速度为零，在薄层外缘，由于温度 已均匀，速度也等于零。已均匀，速度也等于零。层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量旺盛湍流
19、时，局部表面传热系数几乎是常量2)自然对流亦有层流和紊流之分自然对流亦有层流和紊流之分其中其中23vtlgGr 3)与自然对流换热相关的准则数与自然对流换热相关的准则数pT 1与之相关的无量纲参量有与之相关的无量纲参量有 Re,Nu,Pr,Gru0 是边界层内的平均流速是边界层内的平均流速;l 是竖壁的长度是竖壁的长度g 是重力加速度；是重力加速度；是体积膨胀系数是体积膨胀系数对于理想气体，对于理想气体，2、大空间自然对流换热的实验关联式、大空间自然对流换热的实验关联式工程中常用的实验关联式的形式为：工程中常用的实验关联式的形式为：nmmGrCNuPr)(式中：式中：C 和和n 见查表；见查表
20、；定性温度：通常采用边界层的算术平均为温度：定性温度：通常采用边界层的算术平均为温度：计算对流换热的方法与思路计算对流换热的方法与思路1)确认参与换热的固体表面的确认参与换热的固体表面的几何形状几何形状与与运动性质运动性质2)确认所计算问题的确认所计算问题的流动动力流动动力（强制？自然？）（强制？自然？）3)依几何形状、表面运动性质及流动动力选择合适的对流传热依几何形状、表面运动性质及流动动力选择合适的对流传热实验关联式实验关联式4)在利用选定的关联式做计算时需要在利用选定的关联式做计算时需要注意事项注意事项：p 牛顿冷却公式中的牛顿冷却公式中的温差温差如何定义？如何定义？p 整个平面的整个平面的平均表面换热系数平均表面换热系数？局部表面传热系数局部表面传热系数？p 无量纲特征数中的无量纲特征数中的特征长度特征长度如何选取？如何选取？p 定性温度定性温度如何选取？如何选取？p Re数中的数中的特征流速特征流速如何计算？如何计算？p 计算的问题是否在关联式的计算的问题是否在关联式的适用范围适用范围内？内？例例 8-1水流过长水流过长 l=5m、壁温均匀的直管时，从、壁温均匀的直管时，从 被加热到被加热到 管子的内径管子的内径d=20mm，水在管内的流速为，水在管内的流速为2m/s，求表面对流换热系数，求表面对流换热系数Ctof3.25Ctof6.34 谢 谢 同 学
