【文章內(nèi)容簡介】 沿壁面的法線方向沒有熱對流 ， 該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo) 。 由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低 ， 使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大 ， 因此該層中溫度差較大 ， 即 溫度梯度較大 。 ?在 湍流主體 中 ， 由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿漩渦 ，因此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小 ， 各處的溫度基本相同 。 ?在湍流主體與滯流底層的 過渡層中 ， 熱傳導(dǎo)和熱對流均起作用 ， 在該層內(nèi) 溫度發(fā)生了緩慢的變化 。 2023/3/17 36 在熱流體的湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度基本一致，即圖中 T； 在過渡層中，溫度由 T緩慢下降至 Tw； 在滯流底層中，由于熱阻較大，溫度由 Tw急劇下降至 Ts，再往右，通過管壁，因其材料為金屬，熱阻較小，因此，管壁兩側(cè)的溫度 Ts和 ts相差很小。此后，在冷流體中，又順序通過滯流底層、過渡層而到達(dá)湍流主體，溫度由 ts經(jīng) tw下降至 t。 在計(jì)算傳熱量時(shí)，一般用易于測量的平均溫度 Tb和 tb代替截面上最高、最低溫度 T和 t。 T t Tw tw Ts ts 圖示即為溫度在湍流流體中的分布情況。 由以上分析可知， 對流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑 。 Tb tb 2023/3/17 37 熱邊界層及對流傳熱系數(shù) 流體流過平板時(shí)的熱邊界層 與流動(dòng)邊界層相似，若流體自由流的溫度和壁面溫度不同，就會(huì)形成熱邊界層，也稱溫度邊界層。 當(dāng)溫度為 t0的流體在表面溫度為 tw的平板上流過時(shí)，流體和板間將進(jìn)行換熱。實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)情況下 (導(dǎo)熱系數(shù)很大的流體除外 )，流體的溫度也和速度一樣，僅在靠近板面的滯流層中有顯著的變化，即在此薄層中存在溫度梯度，將此薄流體層定義為熱邊界層。熱邊界層以外的區(qū)域，流體溫度基本相同，溫度梯度可視為零。顯然，熱邊界層是進(jìn)行對流傳熱的主要區(qū)域。 如圖示，曲線 1表示流體呈滯流時(shí)在平板上的流動(dòng)邊界層的發(fā)展過程。 u0,t0∞ t0 t ts δt δ 1 x0 2 曲線 2表示流體呈滯流，且在離平板起點(diǎn)x0處開始傳熱時(shí)熱邊界層的發(fā)展過程。 大多數(shù)情況下，流動(dòng)邊界層的厚度 δ大于熱邊界層厚度 δt。 通常規(guī)定 tst=(tst0)處為熱邊界層的界限 (t為某處熱邊界層上的溫度 )。 2023/3/17 38 流體流過圓管時(shí)的熱邊界層 流體以速度 u0和溫度 t0進(jìn)入管內(nèi)，因受壁面溫度的影響，熱邊界層的厚度由進(jìn)口的零值逐漸增加，經(jīng)過一定距離后，在管中心匯合。流體由管進(jìn)口至匯合點(diǎn)的軸向距離稱為傳熱進(jìn)口段。超過匯合點(diǎn)后，溫度分布趨于平坦，此時(shí)熱邊界層的厚度等于管子的半徑。 2023/3/17 39 對流傳熱系數(shù) 據(jù)前分析，對流傳熱是一復(fù)雜的過程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對流及壁面的熱傳導(dǎo)過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù) h內(nèi)。 對流傳熱速率方程 將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線延長，其交點(diǎn)與壁面距離為 δ′， 此膜層稱為虛擬膜或有效膜。 湍流主體區(qū) 過渡區(qū) 滯流 底層 虛擬膜 δ′ 說明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為 tdshdq,39。kh39。tdskdydtdskdq,39。tdydt?????????????????則：令代入傅立葉定律，得牛頓冷卻定律 式中： dq —局部對流傳熱速率， W dS—微分傳熱面積；m2 △ t — 換熱器任一截面上流體的傳熱溫度差， ℃ h — 局部對流傳熱系數(shù)， W/(m2 ℃ )。 2023/3/17 40 〖說明〗 在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù) h隨管長而變化，但在工程計(jì)算中，常使用平均對流傳熱系數(shù)，一般也用 h表示，此時(shí)牛頓冷卻定律可表示為： q=hSΔt 式中： q — 對流傳熱速率 ， W S — 總傳熱面積； m2 △ t —流體與壁面 (或反之 )間溫度差平均值 ， ℃ h — 平均對流傳熱系數(shù)， W/(m2 ℃ ) 。 換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動(dòng)位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如： 熱流體、管程： dq=hi(TbTs)dSi 熱流體、殼程： dq=ho(TbTs)dSo 冷流體、管程： dq=hi(tstb)dSi 冷流體、殼程： dq=ho(tstb)dSo 可見，對流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對應(yīng)的 2023/3/17 41 對流傳熱系數(shù) 定義式一： 據(jù)牛頓冷卻定律得 tdSdqh??即： 在單位溫度差下，對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對流傳熱參數(shù)的熱通量 。 但該式并未揭示出影響對流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩?，所以無法通過此式計(jì)算對流傳熱系數(shù) h。 定義式二： 據(jù)前述，在壁面附近的滯流底層中，傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，故傳熱速率方程可以用傅立葉定律表示，即： dSdqh1t ??? ℃時(shí)，物理意義：當(dāng)t)dydt(khtdShdqdS)dydt(kdqss??????? ，得：聯(lián)立：說明：對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近流體層的溫度梯度，就能求得 h。 可見，此式是在理論上分析和計(jì)算 h的基礎(chǔ)。 2023/3/17 42 〖說明〗 熱邊界層的厚薄，影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。 當(dāng)熱邊界層內(nèi)、外側(cè)溫度差一定時(shí)： ????????????h)dydt(h)dydt(stst而熱邊界層的厚薄，受流動(dòng)邊界層的劇烈影響。 〖結(jié)論〗 減薄熱邊界層的厚度，有利于對流傳熱過程的進(jìn)行 。 2023/3/17 43 對流傳熱過程的量綱分析 對流傳熱系數(shù)的影響因素 對流傳熱是流體在外界條件作用下 ， 在一定幾何形狀 、 尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)與固體壁面之間的傳熱過程 ， 因此影響 h h氣體 h液體 h有相變 h無相變 對 h影響較大的流體物性有導(dǎo)熱系數(shù) k、 粘度 μ、 比熱 Cp、 密度 ρ及對自然對流影響較大的體積膨脹系數(shù) β。 具體地： k↑、 μ↓、 Cp↑ 、 ρ↑ 、 β↑ → h↑ 2023/3/17 44 流體溫度對對流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差 Δt， 流體物性隨溫度變化程度及附加自然對流等方面的綜合影響。故計(jì)算中要修正溫度對物性的影響。在傳熱計(jì)算過程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)用以確定物性所規(guī)定的溫度稱為定性溫度。 流體 呈湍流時(shí)，隨著 Re的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低， h增大。流體呈滯流時(shí)，流體在熱流方向上基本沒有混雜作用，故 h較湍流時(shí)小。即： h滯流 h湍流 自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對位移。 強(qiáng)制對流：由于外來的作用，迫使流體流動(dòng)。 h自然對流 h強(qiáng)制對流 2023/3/17 45 對流傳熱過程的 l量綱分析 、位置和大小 傳熱壁面的幾何因素對流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對流傳熱。如流體流過平板與管內(nèi)的流動(dòng)就不同，在自然對流時(shí)垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對傳熱的影響，一般采用對對流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計(jì)算依據(jù)，稱為定性尺寸。 由于影響對流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個(gè)通式來描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數(shù)群 (準(zhǔn)數(shù) )，然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式 。 本節(jié)采用白金漢法處理對流傳熱問題，適用于變量較多的情況。 2023/3/17 46 流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對流傳熱過程 步驟： 據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響 h的因素有：定性尺寸 l， 流體的密度 ρ， 粘度 μ， 比熱 Cp， 導(dǎo)熱系數(shù) k， 流速 u， 可將其 h＝ f(l, ρ， μ， Cp， k， u) π定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示成一個(gè)隱函數(shù)的形式，即： f(π1, π2, π3， ， πi)=0 其中： i=jm i—無量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目 j－ 變量數(shù) m－ 基本量綱數(shù) (長度 L、 質(zhì)量 M、 時(shí)間 θ、 溫度 T) ∴ i=74=3 有三個(gè)準(zhǔn)數(shù) 2023/3/17 47 (1)列出各物理量的量綱 (2)選擇 m(即 4)個(gè)共同物理量 選擇時(shí)遵循的原則： ? 不能包括待求的物理量－－如不能選 h ? 不能同時(shí)選用量綱相同的物理量－－如不能選 d,l ? 選擇的共同物理量中應(yīng)包括該過程中所有的基本量綱－－如不能選 l,u,ρ,μ， 因?yàn)椴话烤V T 據(jù)此，選擇 l,k,ρ,μ,u為 3個(gè)無量綱準(zhǔn)數(shù)的共同物理量 L u k Cp μ ρ l h TM3?3L?MTL22ML3?2023/3/17 48 (3)量綱分析 將共同物理量與余下的物理量分別組成無量綱數(shù)群，即 Pr)f(Re,NuPrkCReluNuhhlhlk0m1k1j0i 1h1g0f1e0d0c1b1a1b0T3dcb30dcba0L1cb0MTMLLMTMLLTLMCukluklhuklp32113dcb3a00001pmkji3hgfe2dcba1??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????定理：據(jù)同理：：對溫度：對時(shí)間：對長度：對質(zhì)量致性原則：，遵循等式兩邊因次一對流體無相變時(shí)強(qiáng)制對流傳熱時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 2023/3/17 49 自然對流傳熱過程 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 自然對流中，引起流動(dòng)的原因是單位體積流體的升力，大小為 ρgβΔt， 其它因素與強(qiáng)制對流相同，故一般函數(shù)表達(dá)式為： h＝ f(l, ρ， μ， Cp， k， ρgβΔt) 方法同前，可得： Gr)f(Pr,NuGrtglPrkCNukhl2233p21???????????????聯(lián)式為： 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 2023/3/17 50 各準(zhǔn)數(shù)的名稱、符合、意義如下： 準(zhǔn)數(shù)式 符號(hào) 名稱 意義 Nu 努寒爾特準(zhǔn)數(shù) (Nusselt) 表示對流傳熱強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù) Re 雷諾準(zhǔn)數(shù) (Reynolds) 反映流體流動(dòng)湍動(dòng)程度的準(zhǔn)數(shù) Pr 普蘭特準(zhǔn)數(shù) (Prandtl) 反映物性對傳熱影響的準(zhǔn)數(shù) Gr 格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù) (Grashof) 反映自然對流強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù) kC p?223 tgl????khl??lu2023/3/17 51 應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題 對應(yīng)各種不同情況下的對流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系是由實(shí)驗(yàn)確定的，在整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及使用方程式中應(yīng)注意以下問題： 關(guān)聯(lián)式中 Re、 Pr、 Gr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。 各準(zhǔn)數(shù)中決定物性參數(shù)的溫度，有 3種表示方法： ?取 t=(t1+t2)/2或 T=(T1+T2)/2為定性溫度 ?取壁面平均溫度 t=(tw+Tw)/2為定性溫度 ?取流體和壁面的平均溫度 t=(tw+t)/2或 t=(Tw+T)/2為定性溫度 壁溫多為未知數(shù)，需用試差法，故工程上多用第一種方法 無量綱準(zhǔn)數(shù) Nu、 Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸 l。通常選取對流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。 2023/3/17 52 流體無相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)