理學(xué)對流換熱ppt課件(已修改)
2025-04-03 06:00 本頁面
【正文】 167。 對流換熱(convection of heat) ◆ 機(jī)理 :由于流體質(zhì)點變動位置并相互碰撞，熱量由能量較高的質(zhì)點傳遞給能量較低的質(zhì)點，從而使熱量傳播。 ◆ 因流體質(zhì)點位置變動而形成的 對流有兩種形式 ： 自然對流 (natural convection)： 因流體本身各點溫度不同，引起密度差異而形成的流體質(zhì)點移動，稱為自然對流。 強制對流 (forced convection)： 借助于機(jī)械攪拌或機(jī)械作用而引起的流體質(zhì)點移動，稱為強制對流。 NOTE： 強制對流比自然對流有較好的傳熱效果。 ◆ 什么情況下會發(fā)生對流傳熱？ 流動流體中 對流： 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱量傳遞過程稱為對流。 ◆ 自然對流 強迫對流 對流換熱的分類 對流換熱應(yīng)用背景介紹 工程上流體流過一個物體表面的時的熱量傳遞過程，叫做對流換熱。工程上利用這種換熱方式來實現(xiàn)許多裝置的熱交換問題。 自然界中的種種對流現(xiàn)象 強制對流與自然對流 電子器件冷卻 沸騰換熱原理 空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器 動物的身體散熱 對流傳熱系數(shù)大致數(shù)值范圍 對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的 熱量傳遞現(xiàn)象 。 ● 對流換熱實例： 1) 暖氣管道 。 2) 電子器件 冷卻；3)電風(fēng)扇 ● 對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱 (1)流體的宏觀運動 + 微觀的導(dǎo)熱 ， 導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程 (2) 必須有直接接觸 （ 流體與壁面 ） 和宏觀運動；也必須有溫差 (3) 由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響 ， 緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層 ，對流換熱的機(jī)理與通過緊靠換熱面的薄膜層的熱傳導(dǎo)有關(guān) 對流傳熱過程 流 體 主 體 t1 滯 流 內(nèi) 層 固 體 壁 面 t2 過渡層 靠近壁面存在滯流層，該層的傳熱主要依靠流體分子傳導(dǎo)傳熱。流體的導(dǎo)熱系數(shù)一般都比較小，因而在這層中有較大的溫度梯度。 流體主體中的傳熱主要依靠流體質(zhì)點的位移和混合，基本不存在溫度梯度。 過渡層中的傳熱既有傳導(dǎo)傳熱，也有流體質(zhì)點位移而碰撞的傳熱，該層中存在較小的溫度梯度。 對流傳熱包括以下幾部分： 在對流傳熱中將有明顯溫度梯度的區(qū)域（滯流內(nèi)層和過渡層）稱為 傳熱邊界層 。 Q 對流傳熱的膜理論模型 ? 有效膜 ：把過渡區(qū)和湍流主體的傳熱阻力全部疊加到層流底層的熱阻中，在靠近壁面處構(gòu)成的一層厚度為 δ的流體膜。 ? 膜模型 ：假設(shè)膜內(nèi)為層流流動，膜外為湍流，所有熱阻集中在有效膜中。 普朗特速度邊界層的概念： ?? ? uu y %99?固壁表面附近流體速度劇烈變化的薄層 稱為 速度邊界層 ? ， 速度邊界層外的主流區(qū)速度梯度視為零。 實際流動 ≈ 邊界層內(nèi)粘性流動 +主流區(qū)無粘性理想流動 實驗發(fā)現(xiàn)：流體近壁面流動時基于粘性力的速度梯度主要存在于近壁面的薄層，主流區(qū)速度梯度很小。 Ludwig Prandtl 18751953 dyduyx ?? ?普朗特速度邊界層的概念： 層流 ：流體分層流動，各層間無摻混。 湍流 ：流體間相互摻混，無規(guī)則脈動。 如何區(qū)分？ 流動形態(tài)與流速，距離和流體物性相關(guān) 臨界雷諾數(shù) Rec Osborne Reynolds 18421912 普朗特速度邊界層的概念： 光滑平板： Rec＝ 5105 光滑圓管： Rec＝ 2100 ??? cccxuxu ?? ???粘性力慣性力Rexxc, ReRec 層流 xxc, ReRec 湍流 層流底層（粘性底層） ：緊靠壁面處，粘性力占主導(dǎo)地位，使粘附于壁的一極薄層仍然會保持層流特征。層流底層內(nèi)具有最大的速度梯度。 邊界層的特點： ? 邊界層厚度 δ t， δ 與壁面尺寸相比是小量，而 δ t與 δ 量級一致； ? 邊界層內(nèi)速度梯度和溫度梯度很大； ? 流動區(qū)域分為邊界層區(qū)和主流區(qū)，主流區(qū)的速度梯度和溫度梯度可忽略； ? 邊界層內(nèi)存在層流和湍流形態(tài)。 引入邊界層概念的意義： ? 可以有效減小計算區(qū)域。對流換熱問題主要集中于邊界層內(nèi)，主流視為理想流體； ? 應(yīng)用邊界層概念可以有效簡化微分方程組。 邊界層概念的適用范圍： 對于流動分離的問題，邊界層概念不適用。 ? ?W )(Q ??? tthA w? ?2mW )( Qfw tthAq???牛頓冷卻式 : 只是對流換熱系數(shù)的一個定義式，它并沒有揭示 與影響它的各物理量間的內(nèi)在關(guān)系，研究對流換熱的任務(wù)就是要揭示這種內(nèi)在的聯(lián)系，確定計算表面換熱系數(shù)的表達(dá)式。 h 的因素 ?流體流動的起因 ?流體有無相變 ?流體的流動狀態(tài) ?換熱表面的幾何因素 ?流體的物理性質(zhì) h(1)流體流動起因 自然對流： 流體內(nèi)部冷（溫度 t1）、熱 (溫度 t2)各部分的密度 ρ 不同所產(chǎn)生的浮升力作用而引起的流動。因 t2t1，所以 ρ 2ρ 1。若流體的體積膨脹系數(shù)為 β ，則 ρ 1與 ρ 2的關(guān)系為 ρ 1=ρ 2（ 1+βΔ t） ,Δ t=(t2t1)。于是在重力場內(nèi)，單位體積流體由于密度不同所產(chǎn)生的浮升力為 強制對流： 由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動 自然強制 hh ?? ? tgg ??? ???? 221如空氣自然對流的 h值約為 525 W/(m2℃) ，而強制對流的 h值可達(dá)10250 W/(m2℃) 。 (2) 流動狀態(tài) 層流湍流 hh ??????????4410102 2 0 02 2 0 0ReReRe 層流 過渡流 （旺盛）湍流 當(dāng)流體為湍流流動時，湍流主體中流體質(zhì)點呈混雜運動，熱量傳遞充分，且隨著 Re增大，靠近固體壁面的有效層流膜厚度變薄，提高傳熱速率，即 h增大，當(dāng)流體為層
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