三传基础第八章精品PPT课件

➢ 实验方法 ： 用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。
➢ 类比方法： 把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。
★ 对流传热都是在定态下讨论和研究的。
3. 热附面层及对流传热机理
➢ 热附面层定义： 流体流过平板表面，除了会形成一个流动边界层之外，还因受热或
冷却，使靠近壁面附近的流体温度发生变化，在平板表面附近将形成一 具有温度梯度的流体层，称热附面层或温度附面层。
Ⅲ层流底层区：
该区紧贴表面，uy→0，质点对 流作用已近消失，传热仅靠导 热，热阻很大，温度梯度大。
这表明，层流底层区集中了 对流传热的主要热阻，且是传 导传热，故层流底层导热是对 流传热的限制性环节。
对流传热 →热附面层传热 →层流底层传热
如果把热附面层中温度分布理 想化，如图中虚线，则可将整个流 体分别分为没有热阻、温度为tf的 核心区和集中全部热阻、温度由tw 线性变化到tf的层流区两部分。
Tw
热附面层特点：
➢ 热附面层的厚度δt 为
t tw 0.99 时的厚度； t f tw
➢ 热附面层的厚度与速度附面层是同一量级的，但大小不等。
➢ x↑，δt↑；Re↑，则δt↓； ➢ 按流动性质也有层流热附面层和紊流热附面层之分；
➢ 热附面层外可视为温度均一的等温区
对流传热机理
(y)w,l
(y)w,t
t a[1(rt)] z rr r
uz
t a[1(rt)] z rr r
1 (rt)]1t uzrr r az
2t z2 0
t const z
管内稳定层流的速度呈抛物线分布： uz u0[1(Rr)2]
积分得： tu a 0 zt(r4 21 16 R r4 2)C 1ln rC 2
代入边界条件，当
➢ 该式表明给出了α与温度场的关系，故只要求得温度场t，就可利用 上式得α。
➢ 精确解法，近似积分法便基于此种方法。
强制对流换热的应用
➢ 管内流动时的对流传热 ➢ 流体横向流过管群
8-2 管内流动时的对流传热
一、管内流动附面层的特点
① 无论层流或紊流，都有入口段和稳定段之分。层流时入口段为 l=100d，，紊流时l≈20d。在入口段温度场、速度场均有很大变 化，不予讨论。稳定段，u不变，t仍将继续变化，只是分布规 律相似。
l t
对流传热机理
x
对流传热机理
Ⅰ、紊流层 Ⅱ、过渡层 Ⅲ、层流底层
Ⅰ紊流层：
该区紧靠主流、紊流涡动强烈， uy大，传热主要是质点对流作用 引起的，故热阻小、温度均匀平 直。
Ⅱ过渡区：
这里紊流涡动已大为减弱，故uy 较小，质点对流传输已下降到与 导热相当的程度，导热作用已不 可忽视，温度梯度也明显加大。
r0时t， t0,
t 0 得： r
tu a0 ztR 42[R (r)21 4(R r)4]t0
t
r rR
t f tw
边界给热微分方程
Байду номын сангаас
tf
00RR22uuzztddrrt0976u0aR2
t z
twtrRt0136u0aR2
t z
t u0R t r rR 4a z
2.184.36
Rd
4.36
d
Nud 4.36 ——努塞尔特准数
努塞尔特(Ernst K.W. Nusselt 1882-1957), 德国著名物理学家。 他在1909年及1915年先后发表两篇论文, 用因次分析方法导出强制对流换热及自然对 流换热的无因次数(以后被分别命名为努塞 尔特数、普朗特数及格拉晓夫数)并提出了 理论解应具有的物因次数之间的函数关系的 原则形式,从而结束了长期以来对流换热实 验数据得不到很好整理的局面。
第八章 强制对流传热
主要内容
8-1 概述 8-2 管内流动时的对流传热 8-3 流体流过其它物体的对流传热
8-1 概 述
1．对流传热的特点及分类
➢ 定义：流体流过表面时所发生的传热过程称对流传热。
特点： ① 与流体宏观流动有关，流动是前提； ② 与导热有关，并起限制性作用。因此，与流动及导热
有关的因素都对对流传热有影响，如流动起因、流 动性质、流体热物性等； ③ 必须有温差。
分类： 按流动性质分： 层流对流传热；紊流对流传热。 按流动起因分： 自然对流传热；强制对流传热。
2．牛顿冷却公式及对流传热系数
对流传热量习惯上用牛顿冷却公式计算：
Q(tf tw)A [W]
q(tf tw) [W/2]m
—对流传热系数，W/m2·℃，其意义为单位对流传热量
上式形式虽简，但几乎所有影响对流传热的因素都集中于
② α沿管长的变化 ③ 管内无主流区，全是附面层，故不符合附面层的定义。
二、圆管内层流对流传热（用微分解法）
z
条件：① 充分发展的稳定层流；
② 常物性流体；
y
③ 无内热源；
④ 轴向导热与对流传热相比较小， dr
r
R
x
可忽略
o
u r r t u r t u z z t a [1 r r(r r t) r 1 2 2 t 2 z 2 t 2 ]
上。故求解不同情况下的 是研究对流传热的主要任务。
对流换热的主要影响因素： ✓ 流动的起因 ✓ 流体有无相变 ✓ 流动的流态 ✓ 换热表面的几何因素 ✓ 流体的物理性质
f(,cp,,,u,t,l, )
的求解方法
➢ 理论分析法：
建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这
种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层 流、平板上层流等。
而 t 取决于流动起因 ，流动性质，流速，表面性质及流体热物性。
5．对流传热系数表达式
由无滑移边界条件，即使在高度紊流状态下，在表面上的流速 必将到零，流体与表面的对流传热也即是通过表面上流体层的导热 ，由傅氏定律有：
q t y y0
q(tf tw)
t
y y0
t f tw
➢ 此即对流传热系数计算式，又称边界给热微分方程。
u r r t u r t u z z t a [1 r r(r r t) r 1 2 2 t 2 z 2 t 2 ]
① 轴对称问题
u
0，t
0
② 充分发展的稳定层流
ur 0
③ 轴向导热与对流传热相比较小，可忽略
2t z 2
0
t const z
由以上条件，方程化简为：
uz
靠近板面的层流区称有效热附
面层，厚度为 ，t 甚至可以极端地
认为该层流体为附着于板面的停滞 层，则其传热为传导传热。
4．对流传热简化模型
对流传热量也就是通过该层的导热量，即：
Qt(tf tw)A [W]
因此有：
t
（
t
确定困难，不用此式计算α)
上式表明：对流传热与流体的导热系数λ及有效附面层厚度 t 有关，