传热学教案50.doc

第五章对流换热1.重点内容：（1）对流换热及其影响因素；（2）牛顿冷却公式；（3）用分析方法求解对流换热问题的实质；（4）边界层概念及其应用；（5）相似原理；（6）无相变换热的表面传热系数及换热量的计算。2.掌握内容：对流换热及其影响因素；用分析方法求解对流换热问题的实质。3.了解内容：边界层积分方程的近似解法。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，是发生在流体中的热量传递过程的特例。对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算式，即：（5-1a）或对于面积为的接触面：（5-1b）其中为换热面积上的平均温差。约定及总是取正值，因此及也总是取正值。ol牛顿冷却公式只是表面传热系数的一个定义式，没有揭示出表面传热系数与影响它的有关物理量之间的内在联系。研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面传热系数的具体表达式。由于流体系统中流体的运动，热量将主要以热传导和热对流的方式进行，这必然使热量传递过程比单纯的导热过程要复杂得多。本章将在对换热过程进行一般性讨论的基础上，将质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律应用于流体系统，导出支配流体速度场和温度场的场方程－对流换热微分方程组。由于该方程组的复杂性，除少数简单的对流换热问题可以通过分析求解微分方程而得出相应的速度分布和温度分布之外，大多数对流换热问题的分析求解是十分困难的。因此，在对流换热的研究中常常采用实验研究的方法来解决复杂的对流换热问题。在这一章，将通过方程的无量纲化和实验研究方法的介绍而得到常用的准则及准则关系式。讨论的重点放在工程上常用的管内流动、平行流过平板以及绕流圆管的受迫对流换热，大空间和受限空间的自然对流换热。5-1对流换热概述一.对流换热过程的影响因素影响对流换热的因素不外是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素。具体为：1.流体流动的起因由于流动起因的不同，对流换热可以区别为强制对流换热与自然对流换热两大类。（1）强制对流换热：有泵、风机或其他外部动力源的驱动。（2）自然对流换热：通常是由流体内部的密度差所引起。两种流动的成因不同，流体中的速度场也有差别，所以换热规律不一样。2.流体有无相变在流体没有相变时对流换热中的热量交换是由于流体显热的变化而实现，而在有相变的换热过程中(如沸腾或凝结)，流体相变热(潜热)的释放或吸收常常起主要作用，因而换热规律与无相变时不同。3.流体的流动状态流体力学的研究已经查明，粘性流体存在着两种不同的流态——层流及湍流。层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时湍流换热的强度自然要较层流强烈。4.换热表面的几何因素这里的几何因素指的是换热表面的形状、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)。例如，图5-1（a）所示的管内强制对流流动与流体横掠圆管的强制对流流动是截然不同的。前一种是管内流动，属于所谓内部流动的范围；后—种是外掠物体流动，属于所谓外部流动的范围。这两种不同流动条件下的换热规律必然是不相同的。在自然对流领域里，不仅几何形状，几何布置对流动亦有决定性影响，例如图5-1（b）所示的水平壁，热面朝上散热的流动与热面朝下散热的流动就截然不同，它们的换热规律也是不一样的。5.流体的物理性质流体的热物理性质对于对流换热有很大的影响。以无相变的强制对流换热为例，流体的密度、动力粘度、导热系数以及比定压热容等都会影响流体中速度的分布及热量的传递，因而影响对流换热。内冷发电机的冷却介质从空气改成水可以提高发电机的出力，就是利用了水的热物理性质有利于强化对流换热这一事实。由上述讨论可见，影响对流换热的因素很多，由于流动动力的不同、流动状态的区别、流体有否相变及换热表面几何形状的差别构成了多种类型的对流换热现象，因而表征对流换热强弱的表面传热系数是取决于多种因素的复杂函数；以单相强制对流换热为例，在把高速流动排除在外时，表面传热系数可表示为：(5－2)式中是换热表而的一个特征长度。二.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，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:按流体运动的起因，可分为自然对流换热和受迫对流换热；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。紊流流动极为普