第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第一節(jié)：概述工程應(yīng)用背景

對(duì)流換熱：第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)熱對(duì)流計(jì)算關(guān)系式第一節(jié)：概述——請(qǐng)千萬小心，步步都是富貴險(xiǎn)中求。殊不知多少江湖英豪；名門俠女都曾栽在這塊看似山青湖靜，實(shí)則風(fēng)陰濤涌的領(lǐng)域！

——摘自一網(wǎng)友的言論（作者：EricCho/橘皮書）

對(duì)流換熱：第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)熱對(duì)流計(jì)算關(guān)系式－－－換熱方程第一節(jié)：概述第一節(jié)：概述第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究理論分析h求h主要有以下基本途徑：

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)影響對(duì)流換熱的基本因素：自然對(duì)流(NaturalConvection)——強(qiáng)迫對(duì)流(ForcedConvection)——b流動(dòng)狀態(tài)

層流(LaminarFlow)——

紊流(TurbulentFlow)——

c流體有無相變(PhaseChange)

凝結(jié)換熱(CondensationHeatTransfer)

沸騰換熱(BoilingHeatTransfer)

流動(dòng)因素a流動(dòng)起因流動(dòng)因素、幾何因素和物性參數(shù)第一節(jié)：概述第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)流動(dòng)因素h第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)幾何因素：換熱面的幾何形狀、幾何位置第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)物性參數(shù)：與導(dǎo)熱有關(guān)的物性參數(shù)有——與流動(dòng)有關(guān)的物性參數(shù)有——綜合以上分析，可得第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)本章主要用的基本假設(shè)及基本定律：基本定律：質(zhì)量守恒、能量守恒及、牛頓力學(xué)定律和傅立葉定律基本假設(shè)：連續(xù)介質(zhì)；常物性第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第二節(jié)：對(duì)流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫—對(duì)流換熱微分方程組二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)

連續(xù)方程動(dòng)量方程第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)xy(x,y)dxdy在流場(chǎng)中取一個(gè)固定在空間一定位置上的控制體，各個(gè)界面上不斷地有流體流進(jìn)和流出，因而是熱力學(xué)中的一個(gè)開口體系。忽略動(dòng)能及勢(shì)能的變化，假設(shè)流動(dòng)和換熱是穩(wěn)態(tài)的，流體也不做凈功，有能量方程的推導(dǎo)第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)xy(x,y)dxdy能量方程的推導(dǎo)第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第二節(jié)：對(duì)流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫—對(duì)流換熱微分方程組二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層一、速度邊界層速度邊界層定義：壁面到99%U的區(qū)域第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層1、速度邊界層影響邊界層厚度的因素：流體的種類離開平板前沿的距離流體流動(dòng)速度第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層度邊界層的作用：將流場(chǎng)分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩個(gè)區(qū)域

在邊界層內(nèi)速度變化比較劇烈，會(huì)產(chǎn)生較大的粘性切應(yīng)力第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層速度邊界層的發(fā)展對(duì)于外掠平板當(dāng)雷諾數(shù)層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?/p>

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層速度邊界層的發(fā)展對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)當(dāng)雷諾數(shù)層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?/p>

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層2、溫度邊界層溫度邊界層δt定義：壁面到(t-tw)=99%(t∞-tw)的區(qū)域第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層2、溫度邊界層溫度邊界層δt定義：壁面到(t-tw)=99%(t∞-tw)的區(qū)域第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層2、溫度邊界層溫度邊界層的作用：█在邊界層內(nèi)溫度變化比較劇烈，熱量交換比較強(qiáng)烈。

█在邊界層外溫度變化率為零，該區(qū)稱為主流區(qū)，可按等溫流處理。

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層邊界層要點(diǎn)：當(dāng)粘性流體流過固體表面時(shí)，可以將流動(dòng)劃為邊界層區(qū)和主流區(qū)。邊界層的厚度與壁面尺度相比是一個(gè)非常小量。在邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊靠壁面處仍有極薄的一層保持層流流動(dòng)，稱為層流底層。當(dāng)流動(dòng)發(fā)生脫體時(shí)，邊界層的概念不再適用。第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層3、速度邊界層與溫度邊界層的關(guān)系★速度邊界層從平板的前沿開始，而溫度邊界層則不一定；

★

和

一般情況下不等：

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第三節(jié)：邊界層3、速度邊界層與溫度邊界層的關(guān)系★表示了粘性擴(kuò)散與熱擴(kuò)散能力的相對(duì)大小

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第四節(jié)：邊界層對(duì)流換熱微分方程組在邊界層內(nèi)，各物理量的的變化范圍：溫度t：坐標(biāo)x：0～L主流速度u：0～坐標(biāo)y：0～δ（）因此，可以用代表上述各物理量的量級(jí)。第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第四節(jié)：邊界層對(duì)流換熱微分方程組由量級(jí)分析可以對(duì)微分方程組進(jìn)行化。常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)二維平板的邊界層微分方方組為：

推論：邊界層內(nèi)任意一點(diǎn)的y方向速度遠(yuǎn)小于x方向的速度。

y方向上的動(dòng)量方程與x向比較可以忽略。邊界層內(nèi)沿表面法向無壓力梯度，即。邊界層內(nèi)的壓力就等于邊界層外的主流壓力。在溫度邊界層中，沿x方向的導(dǎo)熱可以忽略。第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第四節(jié)：邊界層對(duì)流換熱微分方程組由量級(jí)分析可以對(duì)微分方程組進(jìn)行簡化。常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)二維平板的邊界層微分方方組為：

對(duì)于外掠平板，1908年Blasius給出了速度分布的解，1921年P(guān)ohlhausen給出了換熱系數(shù)的解：第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第五節(jié)：對(duì)流換熱微分方程組的無因次化理論分析面臨的困難：

目前的數(shù)學(xué)還不能求解任意對(duì)流換熱問題。我們將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究中需要解決哪些理論問題？為確定上述關(guān)系，設(shè)每個(gè)變量進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，共需66＝46656次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)1小時(shí)，共需46656個(gè)小時(shí)，每天工作10小時(shí)，共13年！還有其他設(shè)備尺寸等等一系列問題第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第五節(jié)：對(duì)流換熱微分方程組的無因次化貝克力Peclet數(shù)第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第六節(jié)：相似理論簡介第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第六節(jié)：相似理論簡介定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象a和b相似，那么現(xiàn)象a中量綱相同的物理量之間的比值，比與現(xiàn)象b中對(duì)應(yīng)物理量之間的比值相等。同類物理現(xiàn)象——具有相同的物理內(nèi)容，并能用同一微分方程描述的物理現(xiàn)象。如果兩個(gè)物理現(xiàn)象的微分方程的形式一樣，但物理內(nèi)容不同，就不是同類物理現(xiàn)象。說明：2、物理現(xiàn)象相似

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第六節(jié)：相似理論簡介定義：在幾何相似的條件下，如果兩個(gè)同類物理現(xiàn)象a和b相似，那么現(xiàn)象a中量綱相同的物理量之間的比值，比與現(xiàn)象b中對(duì)應(yīng)物理量之間的比值相等。說明：2、物理現(xiàn)象相似

uaubua,maxub,max第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第六節(jié)：相似理論簡介準(zhǔn)則數(shù)即無量綱數(shù)，如_____________________第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第六節(jié)：相似理論簡介第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第七節(jié)：相似準(zhǔn)則實(shí)驗(yàn)關(guān)系式的確定對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)h的定義為

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第七節(jié)：相似準(zhǔn)則實(shí)驗(yàn)關(guān)系式的確定第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（或截面平均溫度）注意：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式不能任意推廣到該公式的實(shí)驗(yàn)(應(yīng)用)范圍以外。環(huán)型管第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式包含了入口段的影響第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（旺盛紊流）第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式二、管外強(qiáng)迫流動(dòng)換熱關(guān)系式

1、外掠單管

流動(dòng)結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)脫體；

為層流邊界層，脫體發(fā)生在處；

邊界層在脫體前已經(jīng)變成紊流，脫體發(fā)生在處；

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式二、管外強(qiáng)迫流動(dòng)換熱關(guān)系式

1、外掠單管

換熱特性平均努賽爾特?cái)?shù)定性溫度：第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式二、管外強(qiáng)迫流動(dòng)換熱關(guān)系式

2、外掠管束從換熱角度講，叉排要好于順排。第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式二、管外強(qiáng)迫流動(dòng)換熱關(guān)系式

2、外掠平板定性溫度為膜溫度第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式分析：要確定管子的長度，想一想，哪個(gè)公式中包含與管長有關(guān)的變量。顯然是牛頓冷卻公式。另一方面從熱平衡角度看：流量和進(jìn)出口溫度已經(jīng)確定，單位時(shí)間空氣的吸熱量也可以計(jì)算，在沒有熱損失的情況下，它應(yīng)等于對(duì)流傳熱熱流。即：第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)第八節(jié)：強(qiáng)迫對(duì)流換熱中常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式解：⑤換熱熱流：

第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)習(xí)題課第三章對(duì)流換熱(ConvectiveHeatTransfer)習(xí)題課3、溫度20C的空氣橫向吹過熱線風(fēng)速儀的白金絲，白金絲長10mm，直徑0.1mm，電阻率為：絲內(nèi)通以1.22A的電流，測(cè)得白金絲兩端的電壓為0.2623V。求空氣的流速。第九節(jié)自然對(duì)流換熱一、概述流動(dòng)發(fā)生的原因：換熱時(shí)由于流體的溫度發(fā)生了變化，流體的密度也隨之變化，使流體中質(zhì)量力(徹體力)分布不均勻，產(chǎn)生了浮升力，導(dǎo)致流體流動(dòng)。例子：12質(zhì)量力：在重力場(chǎng)中用來考慮在離心力場(chǎng)中用來考慮自然對(duì)流換熱——固體壁面附近的流體在浮升力作用下而產(chǎn)生的流動(dòng)與換熱。一、概述應(yīng)用(1)、室內(nèi)暖氣的散熱；(2)、電子設(shè)備的冷卻；(3)、發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤腔及葉片內(nèi)冷通道中的流動(dòng)與換熱；(4)、煙囪、鍋爐的水循環(huán)第九節(jié)自然對(duì)流換熱一、概述應(yīng)用Benard流動(dòng)。參考文獻(xiàn)：1、【英】彼得?柯文尼著，時(shí)間之箭－揭開時(shí)間最大奧秘之科學(xué)里程，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，19952、關(guān)鍵詞：Benard流動(dòng)

BenardFlow第九節(jié)自然對(duì)流換熱一、概述應(yīng)用

在這根『大煙囪』的底端，是一個(gè)直徑達(dá)7000米的集熱器，太陽對(duì)這個(gè)圓盤形狀的集熱器中的空氣加熱，然後，溫度將達(dá)到65℃的熱空氣從四面八方向集熱器中部的『太陽塔』匯集，形成了一個(gè)巨大的溫室。接著，由於對(duì)流效應(yīng)，熱氣流沿著『太陽塔』這根『大煙囪』以35英裡每小時(shí)的高速度繼續(xù)向上昇，推動(dòng)『煙囪』內(nèi)部特別設(shè)計(jì)的渦輪，並產(chǎn)生電力。

一個(gè)1000米高的『太陽塔』可以發(fā)200兆瓦電，足以為20萬個(gè)家庭提供電能。而如果采用傳統(tǒng)發(fā)電方式，要生產(chǎn)如此多的電能，每年要向大氣中排放83萬噸的二氧化碳?xì)怏w。

英國媒體2002年9月7日披露，澳大利亞政府日前作出決定，將全力支持一項(xiàng)宏偉異常的『大型環(huán)保能源工程』的建設(shè)——造一座高達(dá)1000米的『太陽塔』，這一高度將是世界上目前最高的建築——加拿大國家鐵塔CN塔的近2倍！

第九節(jié)自然對(duì)流換熱ytxtw二、流動(dòng)與換熱特征ttwuytydd以大空間內(nèi)豎直平板為例，平板的溫度為tw，遠(yuǎn)離壁面的流體溫度為t。假設(shè)tw>t觀察實(shí)驗(yàn)第九節(jié)自然對(duì)流換熱二、流動(dòng)與換熱特征hx三、自然對(duì)流換熱發(fā)生的條件有溫差；有力場(chǎng)；足夠的空間；熱面的位置。twyxt以大空間內(nèi)豎直平板為例，平板的溫度為tw，遠(yuǎn)離壁面的流體溫度為t。假設(shè)tw>t第九節(jié)自然對(duì)流換熱四、這是為什么？第九節(jié)自然對(duì)流換熱五、自然對(duì)流換熱微分方程組對(duì)流換熱邊界層微分方程組twtygx第九節(jié)自然對(duì)流換熱五、自然對(duì)流換熱微分方程組對(duì)流換熱邊界層微分方程組兩點(diǎn)注意：1、描述流體流動(dòng)與換熱的微分方程組是唯一的，對(duì)不同的問題它的表現(xiàn)形式可能不一樣。2、a

的計(jì)算及量綱。第九節(jié)自然對(duì)流換熱六、對(duì)流換熱微分方程組的無因次化溫度選取過余溫度θ=(tw-t∞)長度選取板長L速度選取/L為Grashof數(shù)，反映了在重力場(chǎng)中浮升力對(duì)自然對(duì)流換熱的影響特征物理量的選?。篎RANZGRASHOF1826-1893Germanengineer第九節(jié)自然對(duì)流換熱六、對(duì)流換熱微分方程組的無因次化溫度選取過余溫度θ=(tw-t∞)長度選取板長L速度選取/L為Grashof數(shù)，反映了在重力場(chǎng)中浮升力對(duì)自然對(duì)流換熱的影響方程的解為

當(dāng)空間比較大時(shí)，平均努賽爾特?cái)?shù)可表示為：Ra為Rayleigh數(shù)。對(duì)于不同的換熱表面，不同的流態(tài)C和n不同。（教科書）特征物理量的選取：LORDRAYLEIGH1842-1919BritishphysicistHewasawardedtheNobelPrizeforphysicsin1904forhisdiscovery(1894)oftheinertelementarygasArgon.Hisresearchalmostcoveredtheentirefieldofphysics.第九節(jié)自然對(duì)流換熱七、幾點(diǎn)注意

由于自然對(duì)流中沒有參考速度，所以換熱公式中就沒有強(qiáng)迫對(duì)流中的Re，這里Gr相當(dāng)于Re。經(jīng)驗(yàn)公式中的定性溫度為——膜溫度。定性尺度：不同的情況有不同的尺度。流態(tài)由Ra數(shù)判斷：為紊流，否則為層流。對(duì)于有限空間的自然對(duì)流，流體的上升與下沉將受到空間的限制，換熱計(jì)算時(shí)不能使用大空間對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，請(qǐng)查相應(yīng)的資料。第九節(jié)自然對(duì)流換熱七、幾點(diǎn)注意自然對(duì)流湍流換熱的自?；瘑栴}。對(duì)恒熱流的自然對(duì)流，tw不知道，可將Grashof數(shù)改寫成：對(duì)于豎壁和圓柱體：層流：適用范圍紊流：適用范圍在強(qiáng)迫對(duì)流換熱中，當(dāng)時(shí)需要考慮自然對(duì)流的影響。第九節(jié)自然對(duì)流換熱例題：一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片，其尺寸為3cm×3cm，發(fā)熱量為1W，試確定其表面溫度。設(shè)機(jī)箱內(nèi)的空氣溫度為30℃，芯片垂直于地面放置，芯片附近無空氣的強(qiáng)迫流動(dòng)。分析：第九節(jié)自然對(duì)流換熱復(fù)習(xí)：質(zhì)量力或徹體力是指作用在流體每一質(zhì)點(diǎn)上的力，它的大小與流體的質(zhì)量成正比，它一般有兩種，其一為重力；其二為慣性力，它是由流體作直線加速運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng)所引起的。通常質(zhì)量力用單位質(zhì)量流體所承受的質(zhì)量力來衡量質(zhì)量力的大小。第九節(jié)自然對(duì)流換熱五、這是為什么？第九節(jié)自然對(duì)流換熱第九節(jié)自然對(duì)流換熱第九節(jié)自然對(duì)流換熱第九節(jié)自然對(duì)流換熱一、概述低速氣流換熱特點(diǎn)

由于速度不是很高，滯止后的溫度不是很高，同時(shí)粘性耗散的影響很小，物性參數(shù)按常物性處理不會(huì)有較大的誤差，理論上，動(dòng)量方程和能量方程可以單獨(dú)求解(自然對(duì)流換熱除外)。高速氣流換熱特點(diǎn)

1、流體被