【正文】 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 1 167。 41 對流換熱概述 167。 42 層流流動換熱的微分方程組 167。 43 對流換熱過程的相似理論 167。 44 邊界層理論 167。 45 紊流流動換熱 第四章 對流換熱原理 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 2 167。 41 對流換熱概述 1 對流換熱過程 ① 對流換熱定義： 流體和與之接觸的固體壁面之間的熱量傳遞過程 ， 是宏觀的熱對流與微觀的熱傳導(dǎo)的綜合傳熱過程 。 對流換熱 與熱對流不同 ， 既有熱對流 ， 也有導(dǎo)熱； 不是基本傳熱方式 對流換熱實(shí)例： 1) 暖氣管道 。 2) 電子器件冷卻 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 3 ② 對流換熱的特點(diǎn)： (1) 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(yùn)動；也必須有溫差 ③ 特征：以簡單的對流換熱過程為例 ， 對對流換熱過程的特征進(jìn)行粗略的分析 。 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 4 圖表示一個簡單的對流換熱過程。流體以來流速度 u?和來流溫度 t?流過一個溫度為 tw的固體壁面。選取流體沿壁面流動的方向?yàn)?x坐標(biāo)、垂直壁面方向?yàn)?y坐標(biāo)。 y t∞ u∞ tw qw x ?? tt w華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 5 壁面對流體分子的吸附作用，使得壁面上的流體是處于不滑移的狀態(tài)（此論點(diǎn)對于極為稀薄的流體是不適用的）。 又由于粘性力的作用，使流體速度在垂直于壁面的方向上發(fā)生改變。 流體速度從壁面上的 零速度值 逐步變化到 來流的速度值 。 同時，通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴(kuò)散 (熱傳導(dǎo) )，并不斷地被流體的流動而帶到下游（ 熱對流 ），也導(dǎo)致緊靠壁面處的流體溫度逐步從壁面溫度變化到來流溫度。 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 6 2 對流換熱的分類 自然強(qiáng)制 hh ?對流換熱：導(dǎo)熱 + 熱對流；壁面 +流動 ① 流動起因 自然對流： 流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動 （ Free convection） 強(qiáng)制對流： 由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動 （ Forced convection） 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 7 ② 流動狀態(tài) 層流： 整個流場呈一簇互相平行的流線（ Laminar flow） 湍流： 流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動 （ Turbulent flow） 紊流流動極為普遍 自然現(xiàn)象：收獲季節(jié)的麥浪滾滾，旗幟在微風(fēng)中輕輕飄揚(yáng)，以及裊裊炊煙都是由空氣的紊流引起的。 層流湍流 hh ?華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 8 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 9 ③ 流體有無相變 單相換熱 相變換熱：凝結(jié) 、 沸騰 、 升華 、 凝固 、 融化 ④ 流體運(yùn)動是否與時間相關(guān) 非穩(wěn)態(tài)對流換熱：與時間有關(guān) 穩(wěn)態(tài)對流換熱：與時間無關(guān) 單相相變 hh ?華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 10 ⑤ 流體與固體壁面的接觸方式 內(nèi)部流動對流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi) 外部流動對流換熱：外掠平板 、 圓管 、 管束 管內(nèi)管外 熱面朝 上 、朝下 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 11 管內(nèi)沸騰 對流換熱 有相變 無相變 強(qiáng)制對流 內(nèi)部流動 圓管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱 其它形狀管道的對流換熱 外部流動 外掠單根圓管的對流換熱 外掠圓管管束的對流換熱 外掠平板的對流換熱 外掠其它截面柱體的換熱 射流沖擊換熱 自然對流 大空間自然對流 有限空間自然對流 混合對流 沸騰換熱 凝結(jié)換熱 大空間沸騰 管內(nèi)凝結(jié) 管外凝結(jié) 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 12 3 對流換熱系數(shù)與對流換熱微分方程 —— 當(dāng)流體與壁面溫度相差 1℃ 時 、每單位壁面面積上 、 單位時間內(nèi)所傳遞的熱量 . ① 對流換熱系數(shù) (表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ) ]C)(mW[))(( 2 ???? ?ttAΦh w確定 h及增強(qiáng)換熱的措施 是對流換熱的核心問題 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 13 ② 對流換熱過程微分方程式 壁面上的流體分子層由于受到固體壁面的吸附是處于不滑移的狀態(tài)，其流速應(yīng)為零，那么通過它的熱流量只能依靠導(dǎo)熱的方式傳遞。 y t∞ u∞ tw qw x 由傅里葉定律 0?????yw ytq ?通過壁面流體層傳導(dǎo)的熱流量最終是以對流換熱的方式傳遞到流體中 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 14 cw qq ?? ?0?? ??????ywc yttthq ?0???? yytth?＝－或 對流換熱過程微分方程式 ?h 取決于流體熱導(dǎo)率 、 溫度差和貼壁流體的溫度梯度 ?溫度梯度或溫度場與 流速 、 流態(tài) 、 流動起因 、換熱面的幾何因素 、 流體物性 均有關(guān) 。 ?速度場和溫度場由對流換熱微分方程組確定：連續(xù)性方程 、 動量方程 、 能量方程 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 15 42 層流流動換熱的微分方程組 為便于分析 ， 只限于分析二維對流換熱 假設(shè)： a) 流體為不可壓縮的牛頓型流體，（即：服從牛頓粘性定律的流體；而油漆、泥漿等不遵守該定律，稱非牛頓型流體） b) 所有物性參數(shù)（ ?、 cp、 ?、 ?）為常量 yu??? ??華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 16 4個未知量：速度 u、 v；溫度 t；壓力 p 需要 4個方程 : 連續(xù)性方程 （ 1） 。 動量方程（ 2） 。能量方程 （ 1） 1 連續(xù)性方程 流體的連續(xù)流動遵循 質(zhì)量守恒規(guī)律。 從流場中 (x, y) 處取出邊長為 dx、 dy 的微元體，并設(shè)定 x方向的流體流速為 u，而 y方向上的流體流速為 v 。 M 為質(zhì)量流量 [kg/s] 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 17 b a l a n c e m a s s????????????????????c h a n g e dm a s so u tm a s sinm a s sudyyvv ???vdxdy單位時間內(nèi)流入微元體的凈質(zhì)量 = 微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化。 單位時間內(nèi) 、 沿 x軸方向流入微元體的凈質(zhì)量： dxxx MM ??dxdyxu???? )( ?dydxxuuu dy ?????? ????? ???dxxuu ???華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 18 單位時間內(nèi)、沿 y軸方向流入微元體的凈質(zhì)量： dxdyy v???? )( ?dyyy MM ?? dxdyyvvv d x????????????? ???單位時間內(nèi)微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化 : dxdydxdy ???? ????? )(華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 19 dxdyxu??? )( ? d x d yyv??? )( ? dxdy?????單位時間：流入微元體的凈質(zhì)量 = 微元體內(nèi)流體質(zhì)量的變化 0????????? y vxu ????連續(xù)性方程： 對于二維、穩(wěn)定、常物性流場 ： xu?? 0????yv 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 20 2 動量微分方程 作用力 = 動量變化率 F=d(mc)/dτ 動量微分方程式描述流體速度場 — 動量守恒 動量微分方程是納維埃和斯托克斯分別于1827和 1845年推導(dǎo)的。 NavierStokes方程（ NS方程） 牛頓第二運(yùn)動定律 ：作用在微元體上各外力的總和等于控制體中流體動量的變化率 ① 控制體中流體動量的變化率 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 21 從 x方向進(jìn)入元體質(zhì)量流量在 x方向上的動量 ： uudy ??1?從 x方向流出元體的質(zhì)量流量在 x方向上的動量 ?????? ??????????? ??? dxxuudydxx uu 1??從 y方向進(jìn)入元體的質(zhì)量流量在 x方向上的動量為 ： uv d x ??1?從 y方向流出元體的質(zhì)量流量在 x方向上的動量： ???????????????????????? dyyuudxdyyvv 1??vudxdydxxuu ???dyyvv ???華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 22 x方向上的動量改變量 ： 1?????????????? d x d yyuvxuu?化簡過程中利用了連續(xù)性方程和忽略了高階小量。 同理，導(dǎo)出 y方向上的動量改變量 ： 1?????????????? d x d yyvvxvu?② 作用于微元體上的外力 作用力：體積力、表面力 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering 2022/9/19 23 體積力： 重力、離心力、電磁力 設(shè)定單位體積流體的體積力為 F，相應(yīng)在 x和y方向上的分量分別為 Fx和 Fy。 在 x方向上作用于微元體的體積力： 在 y方向上作用于微元體的體積力： 1?d x d yF x1?d x d yF y表面力 :作用于微元體表面上的力。 通常用 作用于單位表面積上的力來表示，稱之為應(yīng)力 。包括粘性引起的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力、壓力等。 法向應(yīng)力 ? 中包括了壓力 p 和法向粘性應(yīng)力 。 華中科技大學(xué)熱科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 HUST Lab of Thermal Science amp。 Engineering