tceic.com
简单学习网 让学习变简单
当前位置:首页 >> 政史地 >>

西安交大热工基础课件


热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

第五节 对流换热
Convective Heat Transfer

热流中心

1

热工基础

Fundamentals of The

rmodynamics and Heat Transfer

一、对流换热概述
1. 对流换热的定义和机理 对流换热:流体流过固体壁面时,由于两 者温度不同而发生的热量传递过程。

热流中心

2

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

2. 基本计算式—Newton’s Law of Cooling

? ? h ? A ? ?t

q ? h ? ?t

①A:与流体接触的壁面面积
②约定对流换热量永远取正值

?t ? tw ? t f ?t ? t f ? tw
热流中心

?t ?t

w

? tf ? ?tf ?
3

w

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

3. 影响对流换热的因素 ① 流动起因(The cause of motion)
Forced convection Natural convection Mixed convection

热流中心

4

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

② 流体流动状态(The flow regimes)

Laminar flow

流体力学实验:一滴红墨 水滴到流体中

Turbulent flow

Re: 雷诺数

? ud Re ? ?
5

热流中心

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

③ 换热表面几何因素(The geometric factors)

形状(shape)
尺度(scale)

内流(internal flow) 外流(external flow)

相对位置(relative position)
表面粗糙情况(surface roughness) ④ 换热过程有无相变(phase change) Boiling, condensation
热流中心
6

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

⑤ 流体的物性(The thermophysical properties)

? , ? , c p ,? , ?
前4类影响因素构成将对流换热进行 分类的基架,流体的物性将通过一 个特殊的无量纲数来专门予以反映

热流中心

7

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

4. 对流换热的分类(classification)

热流中心

8

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

5. 边界层 ① 流动边界层

? 定义:当流体流过固体 壁面时,由于流体粘性的 作用,使得在固体壁面附 近存在速度发生剧烈变 化的薄层称为流动边界 层或速度边界层。

?u ? ?? ?y

? 速度边界层厚度? :速度等于99%主流速度。

u ? ? 99%u?
热流中心
9

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

? 特点:边界层厚度?是流过的距离x小一个数量 级以上的小量。 ? /x<< l
如:20℃空气在平板上以16m/s 的速度流动, 在1m处边界层的厚度约为5mm。
5 4

边 界 层 厚 度

3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

速度
0.5 2 8 16

热流中心

10

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

? 边界层内的流动状态:也有层流和湍流之分。

湍流核心 层流底层

热流中心

11

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

热流中心

12

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

? 引入速度边界层的意义:流动区域可分为主流区 和边界层区,主流区可看作理想流体的流动,只 在边界层区才需要考虑流体的粘性作用。
y 主流区

u∞ ?
边界层区 x

0 x

l
13

热流中心

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

② 温度边界层(热边界层)

? 定义:在对流换热时,固体壁面附近温度发生 剧烈变化的薄层称为温度边界层或热边界层。

? 温度边界层厚度 ?t 的规定:过余温度等于99% 主流区流体的过余温度。

?t ? t w ? ?
热流中心

t

? 99%?t ? ? t w ?
14

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

?t? ? tw ?

思考:热边界层厚度可否定义成tδ=99%t∞?

热流中心

15

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

? 特点:温度边界层厚度?t也是比壁面尺度l小一 个数量级以上的小量。 ?t << l

? 引入温度边界层的意义:温度场也可分为主流 区和边界层区,主流区流体中的垂直于壁面方 向温度变化可看作零,因此,只需要确定边界 层区内的流体温度分布。

热流中心

16

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

③ δ与δt 的相对大小 流体的运动粘度反映了流体中由于分子运动而 扩散动量的能力,这一能力越大,粘性的影响 传递越远,因而流动边界层越厚。相类似,热 扩散率越大则温度边界层越厚。

Pr ? ? / a
Pr>1

δ δt

Pr<1

δt

δ
17

热流中心

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

根据普朗特数的大小,流体一般可分为三类
? 高普朗特数流体,如一些油类的流体,在 102~103的量级;

? 中等普朗特数的流体,0.7~10之间,如气 体为0.7~1.0,水为0.9~10; ? 低普朗特数的流体,如液态金属等,在 0.01的量级。

热流中心

18

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

5. 研究对流换热的方法 分析 解法 采用数学分析求解的方法,有指导意义。 实验法 通过大量实验获得表面传热系数的计 算式,是目前的主要途径。

通过研究热量传递与动量传递的共性, 比拟法 建立起表面传热系数与阻力系数之间的 相互关系,限制多,范围很小。 数值 解法
热流中心

与导热问题数值思想类似,发展迅速, 应用越来越多。
19

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

① 如何从获得的温度场来计算h 由傅里叶定律
?t qw ? ? ? ?y
y ?0

y

t∞ u∞

牛顿冷却公式
qc ? h ? tw ? t? ?
qw

tw
x

q w ? qc
热流中心

?t h=- tw ? t? ?y

?

y ?0

20

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

② 局部对流换热系数与边界层的关系

热流中心

21

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

层流:温度呈抛物线分布 湍流:温度呈幂函数分布

? ?T ? ? ?T ? ? ? ? ? ? ? ?y ?w, L ? ?y ?w,T
湍流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层 流,湍流换热比层流换热强
热流中心
22

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

6. 准则方程式(特征数方程) 实验研究仍然是解决复杂对流换热问题的主要方法

h ? f (u, ? , c p , ? , ? , l )
如下问题:

? 如何安排实验?并应该测量哪些量?
? 实验后如何整理实验数据?

? 获得的结果可以推广应用的条件是什么?
热流中心
23

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

?t hx ? ? tW ? t? ?y

?

y ?0

? ? ?? t ? t? ? ? tW ? t? ?? ? ? hx ?
L ? ? y L?
y ?0

hx L

?

?

? ?? t ? t? ? ? tW ? t? ?? ? ? ? ? y L?
y ?0

?? ? ?Y

努塞尔数(Nusselt Number)
热流中心
24

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

?对于无相变强制对流换热

Nu ? f (Re,Pr )

?自然对流换热

Nu ? f (Gr, Pr )

按上述关联式整理实验数据,就能得到反映现象 变化规律的实用关联式,从而解决了实验中实验 数据如何整理的问题。
热流中心
25

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

7. 常见相似准则数的物理意义
① 努塞尔数
Nu ? hl

?

流体在壁面处法向无量纲过余温度梯度。 ② 雷诺数
Re ? ul

?

惯性力与粘性力的相对大小。
热流中心
26

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

③ 普朗特数
Pr ?

?
a

流体动量扩散能力与热量扩散能力相对大小。
④ 格拉晓夫数
Gr ? g??tL3

?2

浮升力与粘性力的相对大小。
热流中心
27

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

实验结果一般表示成待定特征数与已定特征 数的函数关系

Nu ? C Re m Prn Nu ? CGr m Prn
式中,C、n、m 等需由实验数据确定 采用作图法(适用于比较少的实验点)或最小 二乘法确定

热流中心

28

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

幂函数在对数坐标图上是直线

lg Nu

?
lg C
0

m ? tg?
lg Re

采用最小二乘法确定关联式中各常数是最可靠的方法
热流中心
29

热工基础

Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

? 应用特征数方程的注意事项 Nu ? C Re m Prn
? 准则方程式不能任意推广到得到实验关联式的 实验范围之外 ? 三大特征量的选取(特征流速,特征温度,特征长 度) ? 为什么修正?如何修正?

热流中心

30


推荐相关:

调研报告,西安交通大学

搜试试 3 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...西安交大(资料来源: http://mec.xjtu.edu.cn/...热工基础、工程材料基础、工程制图、机械设计、 机械...


西安交大参考书

搜 试试 7 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 百度文库 教育专区 高等教育 ...《热工基础及应用》 《空气动力学基础》 《系统工程》第三版 西安交大出版...


西安交大机械工程学院课程简介

搜 试试 7 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...西安交大机械工程学院课程简介_工学_高等教育_教育专区...热工基础 4 工程中热现象的研究 概率论与数理统计...


西安交通大学(硕士)参考书

搜试试 3 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 广告...热工基础 化工机械 化工热力学 科目名称 书 名 ...西安交大出版社 机械工业出版社 2004 年 西安交通...


西安交通大学(硕士)参考书

搜试试 3 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...热工系统及控制) 《核反应堆控制》 核技术应用基础...《线性系统理论基础西安交大出版社 西安交大出版...


西安交大能动考研

搜 试试 7 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...西安交大能动考研_能源/化工_工程科技_专业资料。1...比如说 选考工程热物理基础(也就是在工热,流体,...


西安交通大学(硕士)参考书

搜试试 3 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...热工系统及控制) 《核反应堆控制》 核技术应用基础...《电机设计》第二版 西安交大出版社 西安交大出版社...


西安交大机械学院培养方案

搜 试试 7 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...西安交大机械学院培养方案_理学_高等教育_教育专区。...热工基础,工程材料基础,工程制图,机 械设计基础,...


西安交通大学(硕士)参考书

搜试试 3 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 广告...热工基础 化工机械 化工热力学 科目名称 书 名 ...西安交大出版社 机械工业出版社 2004 年 西安交通...


西安交通大学2010年攻读硕士学位研究生

搜 试试 帮助 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...理论基础参考书:《机械控制工 程基础》西安交大出版...热工基础热工基础及应用》傅秦生机械 工业出版社...

网站首页 | 网站地图
All rights reserved Powered by 简单学习网 www.tceic.com
copyright ©right 2010-2021。
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com