页数：272页文件大小：5.25 MB来源： 测井方法ppt课件
本课件讲解对流传热的原理与计算，先说明对流传热的概念、影响因素与分类及四类研究方法，再建立换热、能量、动量与连续性四类微分方程组成的数学描述，继而引入普朗特边界层理论简化方程组，说明相似原理与无量纲化方法如何导出Nu、Re、Pr等特征数，最后给出管内强迫对流与自然对流的实验关联式、特征量选取与计算注意事项。
第5章对流传热的原理与计算
确定流态的实验（雷诺试验）
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
层流—流体只沿着与流道轴心平行的流线流动，或者说在轴线或沿表面方向上作规则的缓慢分层运动，仅有非常微弱的横向（指和流速垂直的方向）混合
湍流—流线处于不规则的状态，除了存在纵向（流动方向）速度外，在流动截面上也存在横向速度。流体内部存在强烈的涡旋运动，处于充分的混合状态
| 流体 | 体积热容 kJ/(m³·℃) | 说明 |
|---|---|---|
| 水 | 约 4175 | 一般用水作为冷却介质 |
| 空气 | 1.21 | 与水相差数千倍 |
| 流体 | 导热系数 W/(m·K) | 说明 |
|---|---|---|
| 水 | 0.599 | 相同条件下冷却能力远强于空气 |
| 空气 | 0.0259 | 比水低约二十几倍 |
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
◆比拟法——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与摩擦阻力系数之间的相互关系的方法
（4）直角坐标系：x、y方向速度分别为vx和vy，取矩形微元体
壁面与流体间的热量传递必须以导热方式穿过这层静止的流体层为贴壁处壁面法线方向上流体的温度变化率λ为流体的导热系数将傅里叶定律应用于贴壁流体层，可得
总体而言，固体壁面和流体间是对流传热过程，其换热量可由牛顿冷却定律计算——对流传热微分方程式
这样求得的表面传热系数称为局部表面传热系数，更准确地可写为
（1）平均表面传热系数与局部表面传热系数间的关系
若表面与流体间的温差是恒定的→
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
x方向上进入微元体的热量表示为是进入微元体的流体所携带的能量是流体在x方向上的速度以导热的方式进入微元体的能量
控制体内蓄存能量的增加速率为
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
将各项代入整理a为导温系数，或称为热扩散系数
将方程中的积的导数展开
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
第4、5项与导温系数a有关，反映了导热对流体内温度分布的影响，由于导热是微观粒子的运动，称为扩散项由于方程含有对流项和扩散项，因而将其称为对流－扩散方程清楚地表明了对流传热是热传导和热对流两种基本热量传递方式的联合作用
根据动量定理，可以得到：x方向的动量方程：y方向的动量方程：
动量微分方程式也称为Navier─Stokes方程式——1823年德国科学家Navier.M提出——1845年英国科学家Stokes.G加以完善N－S方程是流体力学的重要方程，是研究流体动力学的基础。流体力学课程详尽地介绍了该方程
为x和y方向的总压力梯度对实际的流动问题，通常流体内部的压力也是未知的流场是由vx、vy和p三个未知数，而方程只有两个，还需要一个方程
五小结描述对流传热问题的控制方程包括
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
§5-3边界层及边界层对流传热微分方程组动量方程对流项的非线性目前为止完整的动量方程方程仍然没有求出解析解
★普朗特提出了边界层理论★边界层理论的意义：简化N-S方程，得到分析解★类似于流动边界层，提出了热边界层，以简化能量方程1904年，德国科学家普朗特L.Prandtl提出了边界层概念
一纵掠平板流动的流动（速度）边界层－外部流动的代表产生原因：粗糙壁面＋流体的粘性壁面：——无滑移边界条件1流动边界层定义
壁面的摩擦力通过粘性向流体内部传递使壁面附近流体速度远远小于来流速度离开壁面距离的增加：壁面的阻滞作用减弱，流体的速度逐渐恢复
（4）边界层厚度沿流动方向是不断增加的
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
雷诺数的物理意义－流体的惯性力和粘滞力相对大小的一种量度
流体外掠平板时的流动边界层平板：临界雷诺数：Rec
壁面附近温度变化的机理
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
| 流体类别 | Pr 数 | 说明 |
|---|---|---|
| 各种气体 | 约 0.6~0.7 | 常用流体范围 0.6~4000 |
| 某些油类 | 可达 10^4 | 温度对Pr数影响很大 |
| 液态金属 | 约 10^-2 | 热量扩散能力远大于动量扩散能力 |
利用Pr数可以定性地判断两类边界层厚度的相对大小4流动边界层和热边界层的相对大小意味着流体的运动粘度较大，粘性的影响区域越广，速度边界层越厚说明热量扩散能力大于动量扩散的能力热量的影响范围大，热边界层越厚
热量扩散能力与动量扩散能力相当
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
流体沿平板的层流流动，若两类边界层能同时形成于平板的前缘时有很高的准确性
管内层流流动——只能生成层流边界层
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
管内紊流流动——只要管路足够长，则先形成层流边界层，然后迅速转换为紊流边界层，直到发展到最后的充分发展状态而保持不变湍流边界层：层流底层、缓冲层、湍流核心
管内对流传热时的局部对流传热系数沿管长的变化
tvyvxyx变量1Δ1Δ1数量级导数的数量级可将因变量和自变量的数量级代入到导数的表达式中得到
1 1 1采用同样的方法，可对动量方程进行简化
层流边界层对流传热微分方程组：3个方程、3个未知量：vx、vy、t，方程封闭如果配上相应的定解条件，则可以求解y方向动量方程整体具有Δ的数量级，整个方程可以舍去
例如：对于主流场均速u∞、均温T∞，并给定恒定壁温的情况下的流体纵掠平板换热，即边界条件为
流体纵掠平板：常物性、无内热源、稳态的条件下，利用分析方法可以得到局部表面传热系数的解析解为注意：层流
若每个参数变化 5 次，则将测量 5⁶＝15625 次实验。
原文以图片形式呈现为上标 5⁶，此处按 5 的 6 次方（15625）写出。
无内热源、常物性的流体纵掠平板的对流传热问题的控制方程
无量纲自变量
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
无量纲温度：要反映出壁面温度、流体温度的影响，通常按如下取法注意：无量纲参数的取法不是唯一的
无量纲化法的第二步：将无量纲量代入到微分方程组中并进行整理
无量纲的连续性方程
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
动量微分方程
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
无量纲化的动量方程
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
无量纲化的能量方程
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
二确定相似特征数的方法换热微分方程式：能量微分方程式：动量微分方程式：连续性方程：
由连续性方程和动量方程可解得：
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
能量微分方程式：将其代入到换热微分方程式中
Nusselt数特征数方程
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
努谢尔（Nusselt 1882-1957）☆德国著名物理学家。☆1907年，他在慕尼黑高等工业学校完成了他的博士论文：绝缘物体的导热研究。☆从1907年至1909年，开始了管道中热量和动力传递的研究。☆1913-1917年期间在德曼斯登高等工业学校任教。
斜率为指数m，纵轴截距为lgc
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
| 流动情形 | 特征尺寸 | 说明 |
|---|---|---|
| 管内流动换热 | 直径 d | 非圆形截面取当量直径 |
| 流体纵掠平板 | 板长 L | 取对流动和换热有显著影响的尺度 |
| 不规则截面槽道 | 当量直径 de=4Ac/P | Ac 为过流断面面积，P 为湿周 |
2特征速度——Re数中的流体速度流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度管内流动：取截面上的平均速度流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度
(b)热边界层的平均温度：(c)壁面温度：
在对流传热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度取法，如：
§5-5管内强迫对流传热的实验关联式（1）管槽的含义：流动截面是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等（2）本节内容的重要性：——指导工程计算的基础、给出的关联式是工程计算的依据，必须掌握——考试的必考内容概述：
1流动有层流和湍流之分层流：过渡区：旺盛湍流：一管槽内流体对流传热的特点实验关联式通常是按流态给出的
3表面传热系数沿管长的变化规律
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
4管壁处条件有恒壁温和恒热流两种差别1：——充分发展的定型温度剖面不同，壁面上的温度梯度不同，表面传热系数不同
恒壁温和恒热流差别2：——沿管长的温度变化规律不同边界条件不同会影响到牛顿冷却定律中温差的取法
恒热流边界时：——当管足够长时，取出口处壁面和流体间的温差
关于管内强迫对流传热特征参数的说明：（1）特征尺寸：管内径或当量直径（2）特征速度：平均速度（3）特征温度：进、出口截面的平均温度有特别取法的除外
二管内湍流换热实验关联式1迪贝斯－贝尔特（Dittus－Boelter）公式加热流体时冷却流体时
定性温度采用流体平均温度tf实验验证范围适用于流体与壁面具有中等以下温差场合
截面上温度的不均匀导致速度分布发生畸变（1）大温差下公式的修正
液体受热时液体被冷却时气体被加热时气体被冷却时对液体引入修正系数ct来考虑不均匀物性场对换热的影响
（2）入口段效应入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入口，有以下入口效应修正系数
（3）螺旋管螺旋管强化了换热效果螺旋管修正系数：对于气体对于液体
2齐德－泰特（Sieder－Tate）公式定性温度为流体平均温度tfηw由壁温tw确定实验验证范围为
3格尼林斯基（Gnielinski）公式实验验证范围为迄今为止精度最高——90％的实验数据与关联式的最大误差在±20％——大部分在±10％
上述准则方程的可应用于非圆形截面槽道用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程Ac槽道的流动截面积,P为湿周长
| 边界条件 | Nu | 适用条件 |
|---|---|---|
| 恒壁温 | 3.66 | 层流、充分发展、圆管内、常物性 |
| 恒热流 | 4.36 | 层流、充分发展、圆管内、常物性 |
2考虑入口段时的层流对流传热既包含入口段、又包括充分发展段的层流对流传热，可采用如下公式：定性温度为流体平均温度tf，ηw按壁温Tw确定（1）齐德－泰特（Sieder－Tate）公式
实验验证范围为：
本页以公式或图示为主，源文件仅留下简短标注，具体表达式请对照原课件图片查看。
以大空间内沿垂直壁面的自然对流传热为例推导浮升力的表达式浮升力是流体因密度差在重力场中作用下而产生的式中，F为单位体积流体的浮升力ρ∞为不受壁面温度影响的密度ρ为受壁面温度影响的密度
当流体温度发生微小变化时设为远离壁面处流体温度、密度
只有重力时，单位体积流体的浮升力为αV越大，或温差越大，浮升力也就越大，自然对流越强
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}