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大家好

这堂课我们讲一下

对流传热的概说

首先我们看一下什么叫对流传热

对流传热是指流体流经固体时

流体与固体表面之间的

热量传递现象

我们着重看一下

“对流传热”这四个字

“流”是指流体 流体流动

“传热”传热是有热量的传递

而“对”往往包含两种物质

两种材料具有相对的流动

那么流体流过固体表面

进行热量的传递

这里我们要强调要有流体的流过

流体可以是气相流体

也可以是液相

热量传递发生在固体的表面

其中热量传递的基本方式之一

有热对流

而这里的对流传热

与热对流是不同的

首先对流传热既有热对流

又有导热

它不是基本的传热方式

在我们的生活中 生产实际中

有很多地方都涉及到了

对流传热

例如我们房间内的暖气

暖气管道暖气片

都是通过对流和辐射的方式

向屋内传递热量

还有就是电子设备元器件的冷却

主要采用强制对流换热进行冷却

还有就是工业中常用的换热器

都涉及到对流传热

那么对流传热的特点是什么呢

首先对流传热是

导热与热对流同时存在

这个大家一定要明白

它与热对流是不同的

对流传热是两种物质

在固体表面发生的热量传递

而且两种物质必须要进行接触

如果不接触就变成了辐射传热

根据热量传递的原理

热量从温度高的物体自发的

向温度低的物体传递

也就是一个温度高一个温度低

要有温差

所以必然要有温差的存在

还有就是由于流体的粘性和

受璧面摩擦阻力的影响

紧贴壁面处会形成速度梯度

很大的边界层

在这个边界层

它的热阻会对换热

有很大的影响

以上就是对流传热的特点

那么对流传热的换热量

是怎么计算的呢

我们需要用到牛顿冷却公式

对于面积为A的接触面

传递的热量Φ等于h乘以面积A

再乘以温差tw减T无穷

而对于单位面积

也就是热流密度q

它等于传热量除以接触面积

等于h乘以温差

这个h是我们研究的重点

是我们追求的目标

所以我们要学习

如何获得这个h值

需要注意的是

在接触面上的不同位置的

温差是不相同的

那么这里的温差就不是

简单的两个点的温差

而是需要用到流体与固体

表面的平均温差

在工程计算中

不论是加热还是冷却

我们都认为换热量永远是正值

所以这个温差也一直是正值

刚才提到在如何确定

换热系数h的时候

以及增强换热的措施

是对流换热的核心问题

从牛顿冷却公式我们可以知道

h等于换热量除以换热面积

除以温差

它表示的物理含义是

当流体与壁面温差相差一度时

单位壁面面积上单位时间内

所传递的热量

但是这个公式并没有给出

对流换热系数与影响它的

有关物理量之间的内在联系

那么我们可以通过什么方法

获得对流换热系数呢

主要有以下四种

第一种就是分析法

该方法是描写某一类

对流传热问题的偏微分方程

及相应的定理条件

进行数学求解

从而获得速度场与温度场的

分析解的方法

由于数学求解难度较大

它只适合简单的对流传热问题

第二种方法就是实验法

通过实验获得表面传热系数的

计算式

仍然是目前工程设计的主要依据

传热学的实验

应该在相似原理的指导下进行

这样能够减小实验次数

并提高实验关联式的通用性

第三类就是比拟法

该方法是通过研究动量传递

及热量传递的共性或类似特性

以建立其表面传热系数与

阻力系数间的相互关系

进而获得表面传热系数的

计算公式

但是随着计算机技术的发展

该方法很少应用

还有一种就是数值法

由于计算机技术的发展

对流传热数值求解方法

得到迅猛发展

但该方法有两个难点

即对流向的离散及动量方程中

压力梯度项的数值处理

这两个问题的解决要涉及

很多专门的数值方法

下面我们来看一下

对流传热的影响因素

也就是影响对流换热系数h的

因素都有哪些

主要从两个方面入手

一是对流动产生影响

还有就是对热传递产生影响

那么我们总结共有五个因素

包括流动的起因

流动的状态

流体有无相变

换热表面的几何因素

流体的热物理性质

每个因素具体

怎么影响对流传热的呢

我们可以根据这五个因素

对对流换热进行分类

第一个就是流动的起因

大家想一想，一块烧红的铁板

放在空气中自然冷却

还有就是利用风扇吹它

吹风让它冷却

哪种冷却方式更快呢

显然是后者

那么前者就属于自然对流

它不需要外部的动力源

而是由流体自身的密度差

产生的流动

而后者属于强制对流

它需要外部的动力源

第二个就是根据流动状态分类

对于粘性流体而言

可分为层流和湍流

层流是什么呢

它是流体微圆沿着主流方向

做有规则的分层运动

层与层之间不会发生流体的混合

而湍流它是流体各部分之间

发生剧烈的混合

也就是说在其他条件

相同的情况下

湍流的传热强度

要高于层流的传热强度

层流和湍流的判断

可以根据雷诺数的大小进行决定

第三个就是换热过程中

有无相变发生

我们可以分为单相换热和

相变换热

比如在冬天戴眼镜的同学

从寒冷的室外进入温暖的屋内时

镜片就会突然蒙上一层水雾

这个时候在镜面处

就发生了凝结换热

水被烧开时再加热体表面

会产生大量的气泡

即水变成了水蒸气

这就属于沸腾换热

除此之外相变换热还包括

升华 凝固和融化等换热过程

与单相换热不同的是

相变换热中流体

发生了相的变化

要将流体的潜热计算在内

根据绝热表面的几何形状

可以分为内部流动对流换热和

外部流动对流换热

其中内部对流换热主要包括

管内或者槽内的

比如像锅炉管内水的换热

还有就是热工设备的冷却水套等

而外部流动对流换热主要就是

包括外掠平板

圆管管束和圆球的

最后一个影响因素

就是流体的热物性

那么一块烧红的铁板

放到空气中冷却

还是放到水中冷却的

冷却速度快呢

当然是放入水中的铁块

冷却速度快

这主要是因为它的热物性不同

那具体哪些热物性对对流传热

有较大的影响呢

它主要包括热导率

比热溶 密度 动力粘度

运动粘度还有就是体积膨胀系数

原来内冷发电机的冷却介质

从空气改成水

可以提高发电机的出力

就是利用水的热物性质

有利于强化对流传热这一事实

通过上面的总结

我们可以发现表面传热系数

h是关于多种因素的复杂函数

包括流动动力的函数

流动状态的函数

有无相变的函数表面形状的函数

以及流体热物性的函数

对于这些参数

我们可以将其转换为无量纲数

通过实验可以获得

关于传热系数的无量纲

实验关联式

下面我们在对对流传热

进行一下归纳

对流传热主要分为

无相变换热和相变换热

那么在无相变换中又分为

受迫对流换热

自然对流换热和混合对流换热

也就是包括受迫对流和

自然对流两种并存的对流换热

而在受迫对流换热中

主要分为内部流动和外部流动

内部流动又包括

圆管内受迫流动和

非圆管的受迫流动

其中像锅炉管内的水流动换热

和换热管内水的流动换热

都属于这种管内的受迫流动换热

那么针对非圆形的管内

受迫流动换热

我们要注意要使用它的当量直径

作为特征长度

对于外部流动主要包括

外掠平管 外掠单管和外掠管束

其中这个外掠管束

应用的地方比较多

包括换热器 空气或者是

烟气流入换热器与

换热管束进行换热的过程

而在自然对流换热中

又有无限空间自然对流换热

和有限空间自然对流换热

在无限空间对流换热

又包括竖壁 竖管

还有横管水平壁等

有限空间自然对流换热

主要是玻璃夹层

这里边的一个换热就属于

有限空间的自然对流换热

对于相变换热主要分为

凝结换热和沸腾换热

凝结换热的话主要包括

垂直壁凝结换热

还有就是水平单圆管

及管束外凝结的换热

还有就是管内凝结换热

其中管内凝结换热

主要有热管 热管的冷端

热管冷端

当水蒸气进入冷端的时候

水蒸气的热量传给冷端的介质

这样蒸汽就凝结成水

然后在重力的作用下向下流动

这也发生了一个凝结换热的过程

在沸腾换热主要就是

大空间沸腾换热和

管内的沸腾换热

当粘性流体在壁面上流动时

由于粘性的作用

流体的流速在靠近壁面处

会随离壁面的距离的缩短

而逐渐降低

在贴壁处被滞止

处于无滑移状态

在流体力学中称之为贴壁处的

无滑移边界条件

在这层极薄的贴壁流体中

热量只能是通过

导热的方式进行传递

所以这也是我们前面说的

对流传热包括了热对流与热传导

那么在贴壁处流体

它的热量传递是怎么计算的呢

我们可以根据傅里叶定律得出

热流密度q等于负的λ

乘以温度梯度

后面我们将讲到要注意

这里和第三类边界条件的

一个区别

根据能量守恒我们可以知道

热流密度是相等的

那么在牛顿冷却公式中

热流密度q就等于对流换热系数

h乘以温差

所以我们可以得到

对流换热系数h就等于

负的λ比上温差再乘以温度梯度

这个就是对流换热过程的

微分方程式

注意这里和第三类

边界条件的区别

第三类边界条件中

h是已知的

这里h是未知的

而且导热系数是流体的

导热系数

而第三类边界条件中

导热系数是固体的导热系数

在这里温度梯度或温度场

取决于流体热物性流动状态

流速的大小及其分布

表面粗糙度等

也就是说温度场取决于

流场的分布

速度场和温度场

由对流换热微分方程组确定

他们依然遵守能量守恒

动量守恒和质量守恒定律

好 以上就是本次课的全部内容

谢谢大家