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1、Chapter5對(duì)流換熱分析IntroductiontoConvection對(duì)流換熱:流體與固體壁直接接觸時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。牛頓冷卻公式確定換熱系數(shù)(h)的途徑理論解法:分析解法、積分近似解法、數(shù)值解法和比擬解法實(shí)驗(yàn)研究:相似原理指導(dǎo)§1對(duì)流換熱概述1.1影響對(duì)流換熱的因素一、流動(dòng)起因和流動(dòng)狀態(tài)1.流動(dòng)起因1)自然對(duì)流(freeconvection)2)受迫對(duì)流(forcedconvection)2.流動(dòng)狀態(tài)1)層流(laminarflow)2)紊流(turbulentflow)二、流體的物理性質(zhì)
2、(Thermophysicalpropertiesoffluids)密度(Density):?,kg/m3熱導(dǎo)率(Thermalconductivity):?,W/m·K定壓比熱(Specificheatatconstantpressure):cp,J/kg·K熱擴(kuò)散率(Thermaldiffusivity):a,m2/s動(dòng)力粘度(Dynamicviscosity):?,N·s/m2運(yùn)動(dòng)粘度(Kinematicviscosity):?,m2/s體膨脹系數(shù)(Volumetricthermalexpansi
3、oncoefficient):?v,1/K(影響自然對(duì)流換熱)定性溫度(Characteristictemperature):確定流體物性的特征溫度。流體平均溫度Averagetemperatureoffluid壁表面溫度Temperatureofwallsurface流體與壁的算術(shù)平均溫度Averagetemperaturebetweenfluidandwallsurface三、流體的相變(PhaseChange)四、換熱面幾何尺寸、形狀及位置壁面幾何因素影響流體在壁面的流態(tài)、速度分布、溫度分布(?)
4、。定型尺寸(l):對(duì)換熱有決定影響的特征尺寸??偨Y(jié):1.2對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式(Convectiontransferdifferentialequations)根據(jù)傅立葉定律和牛頓冷卻公式:(1)(2)引入過(guò)余溫度——對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式目的:求解hx邊界條件:1.壁溫邊界條件求溫度梯度(temperaturegradient)2.熱流邊界條件溫度場(chǎng)能量方程+速度場(chǎng)對(duì)流換熱系數(shù)與流體溫度場(chǎng)的關(guān)系,稱為對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式?!?二維對(duì)流換熱微分方程組(Two-dimensionalconvectio
5、nheattransferequations)x方向動(dòng)量方程y方向動(dòng)量方程確定速度場(chǎng)連續(xù)性方程確定溫度場(chǎng)能量方程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)微分方程組未知量:速度分量u,速度分量v,溫度t,壓力p2.1連續(xù)性方程(Continuityequation)Massconservationofcontrolvolume(dxdy),X-direction:(unittime,z=1)InflowOutflowY-direction:InflowOutflow質(zhì)量守恒(Massconservation)常物性、不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)
6、(Constantproperties,incompressiblefluids,steadyflow)2.2動(dòng)量微分方程式(Momentumequation)慣性力=微元體的質(zhì)量?加速度Inertiaforce=Mass?Acceleration在和方向分別為方向加速度方向加速度2.微元體所受的外力1)體積力(bodyforces)式中X、Y為單位體積流體在x、y方向分別受到的體積力分量2)表面力(surfaceforces)方向受到的表面力分別為:法向應(yīng)力(Normalstresses):?x,?y
7、;切向應(yīng)力(Shearstresses):?xy,?yx動(dòng)量守恒方程(Momentumequations)代入上兩式得(5-4a)(5-4b)(1)(2)(3)(4)Physicalsignificance:(1)慣性力(inertiaforce)(2)體積力(bodyforce)(3)壓力梯度(pressuregradient)(4)粘滯力(viscosityforce)對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)只有重力場(chǎng)時(shí)連續(xù)性方程+動(dòng)量方程?速度場(chǎng)2.3能量微分方程式(EnergyEquations)設(shè)為導(dǎo)熱量;為熱對(duì)流傳遞的
8、能量x方向?qū)氲膬魺崃浚統(tǒng)方向?qū)氲膬魺崃浚絰方向熱對(duì)流傳遞的凈能量=y(tǒng)方向熱對(duì)流傳遞的凈能量=根據(jù)能量守恒假設(shè)為常物性、不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng),得:或(5-5)§3邊界層換熱微分方程組的解3.1流動(dòng)邊界層(Flowboundarylayers)一、基本概念1.邊界層的厚度(Boundarylayerthickness)2.有限邊界層厚度(Limitedboundarylayerthickness)3.牛頓流體粘性定律(Newtonianvisc