5.对流传热理论基础

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传热学

Heat transfer

对流换热Convection heat transfer

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第五章 对流换热的理论基础5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 对流换热概述 换热过程的数学描写 对流换热的边界层微分方程组 流体外掠平板层流分析解 对流换热方程组的无量纲化

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5.1 对流换热概述5.1.1对流换热过程 5.1.1对流换热过程定义： 定义：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。 间的热量传递过程。 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 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。 传热方式。 对流换热实例： 暖气管道; 对流换热实例：1) 暖气管道 2) 电子器件冷却

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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 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动； 须有温差y t∞ u∞

tw qw x

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对流换热特征以简单的对流换热过程为例， 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。 粗略的分析。 图表示一个简单的对流换 热过程。 热过程。流体以来流速度 u∞和来流温度 ∞流过一个温 和来流温度t 度为t 的固体壁面。 度为 w的固体壁面。选取流 体沿壁面流动的方向为x坐 体沿壁面流动的方向为 坐 垂直壁面方向为y坐标 坐标。 标、垂直壁面方向为 坐标。y t∞ u∞

tw qw x

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Case1:When the fluid molecules make contact with : solid surface, what do you expect to happen?

1. they will rebound off the solid surface 2. they will be absorbed into the solid surface 3. they will adhere to the solid surface

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结论：由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上 结论：由于固体壁面对流体分子的吸附作用 壁面上 的流体是处于不流动或不滑移的状态 的流体 处于不流动或不滑移的状态。 处于不流动或不滑移的状态

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在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方 在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方 向上发生改变。 向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来 流的速度值。 流的速度值。 同时，通过固体壁面的 同时， 热流也会在流体分子的作 用下向流体扩散(热传导 热传导), 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 带到下游(热对流),因 而也导致紧靠壁面处的流 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。 化到来流温度。

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对流换热的基本计算式牛顿冷却公式： 牛顿冷却公式：y t∞ u∞

Φ= hA tw t∞) ( q =Φ A = h(tw t∞)tw qw x

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表面传热系数(对流换热系数) 表面传热系数(对流换

热系数)

Φ h= ( A tw t∞ )数值上等于当流体与壁面温度相差1K时、每单位壁 数值上等于当流体与壁面温度相差 时 面面积上、单位时间内所传递的热量。 面面积上、单位时间内所传递的热量。 牛顿冷却公式仅仅是表面传热系数的定义式。 牛顿冷却公式仅仅是表面传热系数的定义式。

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换热微分方程式

y

t∞ u∞

壁面上的流体分子层由于 壁面上的流体分子层由于 受到固体壁面的吸附是处 于不滑移的状态， 于不滑移的状态，其流速 应为零，那么通过它的热 应为零，那么通过它的热 流量只能依靠导热的方式 传递。 传递。

tw qw x

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由傅里叶定律 t qw = λ y y=0y t∞ u∞

通过壁面流体层传导的热 流量最终是以对流换热的 方式传递到流体中

tw qw x

qw = qc t qc = h(tw t∞ ) = λ y y=0

对流换热过程 微分方程式

或 h= λ t -

t y y=0

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h= - t y y=0h是与具体换热过程相关的量，其不是物性参数。 是与具体换热过程相关的量，其不是物性参数。 是与具体换热过程相关的量 研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响它的有 关量之间的内在关系， 关量之间的内在关系，并能定量计算对流换热的表面传热 系数h 系数 。

λ t

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5.1.2 影响对流换热的因素流动起因： 流动起因： 自然对流： 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动( 生的流动(Free convection) ) 强制对流：由外力( 强制对流：由外力(如：泵、风机、水压头)作用所产生 风机、水压头) 的流动( 的流动(Forced convection) )

h强制 > h 然 自

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流动状态 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线( 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线(Laminar flow) ) 湍流：流体质点做复杂无规则的运动( 湍流：流体质点做复杂无规则的运动(Turbulent flow) )

h湍流 > h层流

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换热表面的几何因素 内部流动对流换热： 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、 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束

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流体有无相变 单相换热： 单相换热： (Single phase heat transfer) ) 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、 (Phase change): Condensation、Boiling ): 、

h相变 > h单相

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流体有无相变 流体的物理性质，如密度、动力粘度、导热系数等。 流体的物理性质，如密度、动力粘度、导热系数等。 小结 表面传热系数可看成如下量的函数

h = f (u, t w , t f , ρ , c, λ , r ,η , l ,ψ ,)

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圆管内强制对流换热 内部流动 非圆管道内强制对流换热 5.1.3 对流换热的分类 外掠平板的对流换

热 外掠单根圆管的对流换热 强制对流 外部流动 外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面形状柱体的对流换热 射流冲击换热 无相变 大空间自然对流 自然对流 对流换热 有限空间自然对流 混合对流 大容器沸腾 沸腾换热 管内沸腾 有相变 凝结换热 管外凝结 管内凝结

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研究重点： 研究重点： 管槽内强制对流换热 外掠单管与管束的强制对流换热 大空间自然对流换热 竖壁和横管膜状凝结换热 大容器饱和沸腾换热

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5.1.3 对流换热的研究方法 (1)分析法 (2)实验法 (3)比拟法 (4)数值法

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