第十一講

3.對流傳熱(convectionheattransfer)h?幾何因素物理性質(zhì)流體流動相變熱TsTsT造成傳熱的本質(zhì)是什么？怎么處理？u3.1.有關(guān)流體運動的基本知識3.1.1.黏切應(yīng)力(viscousshearstress)yx運動黏度(kinematicviscosity),m2.s-1與壓力同量綱牛頓流體動力黏度（dynamicviscosity)，Pa.s即N.m-2.s希臘字母nju3.1.3.伯努里方程(Bernoulliequation）P,壓力(N.m-2)ρ

密度(kg.m-3)u,速度(m.s-1)3.1.2.牛頓第二定律(Newtonsecondlaw)gc,1kg.m.N-1.s-2(非壓縮性流體,

流線方向）F,N或3.2.平板上流體的流動與對流傳熱3.2.1平板上流體流動狀態(tài)的變化層流(laminar)湍流(turbulent)過渡流(transition)湍流雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)x3.2.2平板上流體流動邊界層和熱邊界層自由流體速度0.99自由流體溫度TsTu流動邊界層(hydrodynamicboundarylayer)熱邊界層(thermalboundarylayer)表征流速梯度、質(zhì)量和動量傳遞表征溫度梯度、熱傳遞Whatarelationship？3.2.3平板上層流的邊界層理論解析udxdyyx

基本守恒方程式Massbalance

英文字母vudxdyxMomentumbalance

上方流出動量右側(cè)流出動量上方流入動量左側(cè)流入動量質(zhì)量守恒動量守恒能量守恒δ的求解uyxdx12AAMass1-A2-A1-20A-A0Momentum（xdirection)邊界條件由動量守恒(由u和v的關(guān)系式得到）設(shè)牛頓第二定律的簡單表達式（近似解法）y/δu/u

書上公式p212yx

熱邊界層dxTsBoundaryconditions能量平衡方程(energybalanceequation)溫度分布(temp.distribution)代入流動面全部傳熱條件下平板層流對流傳熱系數(shù)的理論關(guān)系式Prandtlnumber物理意義動量擴散與熱擴散之比努塞爾數(shù)(Nusseltnumber)3.2.4

恒溫平板上層流對流傳熱的無量綱數(shù)關(guān)系式解析式：普朗特(Prandtl)數(shù)雷諾數(shù)著名層流無量綱數(shù)理論關(guān)系式！第十二講無量綱表面溫度梯度努塞爾數(shù)(Nusseltnumber)的物理意義

Tyflow

流體的對流導熱與流體導熱之比

長度為l的平板上平均對流傳熱系數(shù)Conditions:isothermalsurface;0.6<Pr<50金屬液體重油等不適合3.3研究對流傳熱系數(shù)的基本方法3.3.1數(shù)學方程求解法3.3.2相似理論(similarity)與實驗經(jīng)驗式3.3.3比擬方法（analogy)對于相似的物理現(xiàn)象，盡管個別的物理參數(shù)不同，但無量綱數(shù)之間存在相同的關(guān)系。相似理論要點一個表示n個物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包括n-r個獨立的無量綱物理量群之間的關(guān)系式。r是方程式中涉及基本的量綱數(shù)目。可以描述成相似理論的意義

平板層流，等熱流條件，區(qū)別于等溫條件

ConstantheatfluxonwallsurfaceChurchill等由實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的平板流動傳熱關(guān)系式當(等溫墻面)3.4其他條件的關(guān)系式（供參考、理解）局部阻力系數(shù)無量綱表面黏切應(yīng)力局部表面應(yīng)切力精確解近似阻力系數(shù)的概念3.5.用比擬方法求平板上動量與熱傳遞關(guān)系3.5.1平板層流熱傳遞與流動阻力系數(shù)關(guān)系當Pr=1時，由平均切應(yīng)力此式為解析法求得結(jié)果表達熱傳遞與流體阻力系數(shù)之間的關(guān)系平均阻力系數(shù)例題空氣(27°C,1atm)以2m.s-1的速度流過一平板，平板溫度處于60°C的恒溫狀態(tài)，z方向為單位長度,計算

(1）由平板起始邊開始x=20cm和x=40cm處的流動邊界層厚度;(2)在上述兩點的對流傳熱系數(shù)?？諝獾奈锢硇再|(zhì)取43.5°C時的數(shù)據(jù)：運動黏度=17.3610-6m2.s-1,

λ=0.02749W.m-1.K-1,cp=1.006kJ.kg-1.K-1.xyLIncompressibleflow,ignorant3.5.2用比擬方法求平板層流熱傳遞與流動阻力系數(shù)關(guān)系第十三講導熱項黏切力引起的熱傳遞項

<<1令AnalogyxyL與解析法求得結(jié)果相同雷諾比擬更一般的平板層流傳熱與流動阻力之間的關(guān)系引進新Stanton數(shù)（斯坦頓數(shù)）雷諾比擬只適合Pr=1時的平板上層流熱傳遞當Pr不一定等于1時，稱Chilton-Colburn比擬3.6.平板上湍流的熱傳遞與流體阻力的關(guān)系傳熱主要機理：湍流團(turbulentlump）流動的宏觀傳熱引進湍流動量擴散率湍流熱擴散率u層流湍流能量守恒定律動量守恒定律對于強湍流傳熱，認為利用動量方程和能量方程的形式與層流是完全相同，用比擬方法可以得到湍流傳熱與其傳熱阻力的比擬關(guān)系式湍流時傳熱與流動阻力的關(guān)系采用契爾頓比擬根據(jù)湍流的動量和能量方程的比擬性質(zhì)平均流動阻力與平均斯坦頓數(shù)之間平均流動阻力可通過實驗測定切應(yīng)力得知無論Re的范圍，都適用實驗驗證湍流傳熱系數(shù)的計算關(guān)系式湍流邊界層厚度例如當從計算平板上流體流動形態(tài)層流(laminar)湍流(turbulent)過渡流(transition)x邊界層厚度和對流傳熱系數(shù)如何隨x變化？傳熱系數(shù)的平均值？對于全平板從層流到湍流的全體傳熱的平均傳熱系數(shù)平板上流體流動傳熱總結(jié)

P220P217,公式錯誤例題1空氣(20°C,1atm)以35m.s-1的速度流過一平板，平板溫度處于60°C的恒溫狀態(tài)，z方向為單位長度,計算：（1）開始發(fā)生湍流的距離xc及至此點的平均傳熱系數(shù)；（2）平板起始邊開始至L=75cm處的平均對流傳熱系數(shù)及熱流量作業(yè)

5-13，5-19Example2:Engineoilat20°Cisforcedovera20-cm-squareplateatavelocityof1.2m/s.Theplateisheatedtoauniformtemperatureof60°C.Calculatetheheatbytheplate.(Atthefilmaveragetemperatureof40°C,thepropertiesofoilare:density,876kg/m3;kinematicviscosity,0.00024m2/s;heatconductivity,0.144W/(m.°C),specificheatcapacity,1965.7J/(kg.°C)3.7.管內(nèi)強制流動的對流傳熱3.7.1管道中流體流動狀態(tài)與流速分布層流湍流湍流dum平均流速入口區(qū)發(fā)達區(qū)x1入口區(qū)發(fā)達區(qū)第十四講發(fā)達區(qū)開始點r0在發(fā)達區(qū)X方向動量變化為零發(fā)達區(qū)層流的流速分布dxrTcuccenterdrdxrTcuccenterdrAnnularelement代入速度分布式

neglectingsecond-orderdifferentials3.7.2管內(nèi)發(fā)達區(qū)層流傳熱Tc為中心溫度Constantheatflux式中Tw，管壁溫度Tb，主體溫度速度分布式溫度分布式p250由對于管道表面為常溫條件入口段傳熱系數(shù)（Ts=const條件）對應(yīng)平均溫度對應(yīng)管壁溫度3.7.3管內(nèi)湍流傳熱由比擬方法可以得到（略）修正關(guān)系式其中，流體加熱,n=0.4；

流體冷卻，

n=0.3適合發(fā)達區(qū)管壁與流體溫度相差不很大時適用，用流體進出口平均溫度計算參數(shù)以上除μs用壁溫計算外，其他參數(shù)都用Tb計算參數(shù)管壁與流體溫差較大時，考慮流體性質(zhì)變化在進口不發(fā)達區(qū)適合發(fā)達區(qū)3.7.4非圓筒體管道對流傳熱例ababb/a13流體通過橫截面面積相應(yīng)橫截面周長2.983.392.47(Ts恒定）發(fā)達層流湍流時圓筒體關(guān)系式適用（平均傳熱系數(shù)）3.8.不同幾何形狀外部強制流動對流傳熱3.8.1通過單管橫流傳熱umθd工程上求平均傳熱關(guān)聯(lián)式C,n隨Red

而變P258定性溫度為管子和流體的平均溫度3.8.2通過管束橫流傳熱平行排列(aligned)錯位排列(staggered)uStd注意

Re的計算（最大流速);參數(shù)對應(yīng)溫度；排管數(shù)量umaxSdSlor當Zhukauskas關(guān)聯(lián)式CmalignedstaggeredCm10~102102~103103~2×1052×105~2×1060.800.400.900.400.270.630.0210.840.0220.0840.35(St/Sl)1/50.600.400.60可近似用單管計算有幾個關(guān)聯(lián)式，其中定性溫度為進口和出口平均溫度計算（Prs除外,用壁溫計算）管束在20根以上例題質(zhì)量流速為0.050kg.s-1的熱空氣流過直徑為0.15m的金屬導管。熱空氣進入導管溫度為103°C,在進入5m處，冷卻至77°C。導管與外部空間（溫度為0°C）的對流傳熱系數(shù)為6W.m-2.K-1。計算（1）通過5m長導管的熱損失；（2）在5m處的熱流密度及導管表面溫度（導管厚度及內(nèi)外表面溫差可忽略）。管內(nèi)空氣平均溫度為90°C，在90°C下的空氣性質(zhì)：Cp=1010J.Kg-1.K-1,思考題設(shè)一太陽光聚焦熱水器，如圖所示，太陽光光線由拋物線鏡面聚焦射入加熱管，太陽光對管道的熱流密度為qs=2000W.m-2,加熱管管徑為0.06m,管內(nèi)通入質(zhì)量流量為0.01kg.s-1，溫度20°C的水，問：通過多少管長(L)后，水溫達到80°C;在L處的管壁溫度。Sunray水性質(zhì)（平均溫度50°C時）：熱容量4181J.kg-1.K-1，熱傳導系數(shù)0.670W.m-1.K-1,動力黏度3.52×10-4N.s.m-2作業(yè)：5-19，6-123.9自然對流傳熱（naturalconvection)Twu層流湍流xy體積膨脹系數(shù)浮力項對于理想氣體，3.9.1豎加熱平板的自然對流傳熱L第十五講3.9.2量綱分析法BKg.m-2.s-2xmKg.m-3Kg.m-1.s-1J.kg-1.K-1J.s-1.m-1.K-1J.s-1.m-2.K-1hL4個獨立變量LM7-4=3個因變量一個表示n個物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包括n-r個獨立的無量綱物理量群之間的關(guān)系式。r是方程式中涉及基本的量綱數(shù)目。本例中7變量，4個基本量綱，所以可以表示成三個無量綱數(shù)群關(guān)系量綱分析的定律Nux=f(Pr,Grx)無量綱數(shù)的構(gòu)筑III=?物理意義：表征浮力與粘力之比與Rex類似,可以用來判別自然對流從層流到湍流臨界區(qū)域?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)式層流過渡湍流Cn0.591/40.02920.390.111/3定性溫度3.9.3豎平板、豎圓柱體傳熱計算式壁溫恒定時C，n參數(shù)見p269格拉曉夫(Grashofnumber)豎平板x方向距離恒熱流量時層流湍流ModifiedGrashofnumber溫度需要先假設(shè)，根據(jù)平均溫度求參數(shù)，再求溫度，看與假設(shè)是否一致，循環(huán)計算直至一致豎圓柱體見p269豎平板P275例題要用此公式，書上無說明3.9.4水平板情況RayleighNumber定性溫度：園柱體RadCn10-10—10-20.6750.05810-2—10210-2—104104—107107—10121.020.1480.8500.1880.4800.2500.1250.333ByMorgan球ByChurchill或者3.9.5.有限空間LThTcHLWThTc自然對流純導熱流體流動方向的空間距離定性溫度例題一烘箱的頂部尺寸為0.6×0.6m,頂面溫度為70°C,求頂部散熱量。環(huán)境溫度為27°C。思考：為減少熱損失及安全起見，在頂部加上一層密封空氣夾層，夾層厚50mm,假設(shè)原烘箱頂面溫度仍為70°C，計算加夾層后的熱損失。例題1室溫為１０攝氏度的空間有一煙筒，垂直部分高１．５ｍ，水平部分長１５cｍ，煙筒平均壁溫為１１０攝氏度，考慮自然對流計算每小時散熱量。例題２一塊寬０．１ｍ，高０．１８ｍ的豎直平板至于２０攝氏度的空間中，平板通電加熱，功率１００Ｗ，試確定平板最好溫度（設(shè)輻射可以忽略）。Ｐ２７５恒溫自然對流問題恒熱流量自然對流問題自學

4.相變對流傳熱（HeattransferwithaFluidPhaseChange)4.1.表面冷凝傳熱（Surfacecondensation)薄膜冷凝(filmcondensation)滴狀冷凝(dropwise)傳熱系數(shù)哪個大？vaporlaminarwavyturbulent第十六講4.1.1垂直板上層流薄膜冷凝TwVaporxdxyy邊界條件y=0,u=0單位深度假設(shè)在氣體與冷凝液邊界上的黏切應(yīng)力可以忽略質(zhì)量流量x至x+dx間的冷凝液增量（邊界層增厚）Hg,氣體冷凝潛熱假設(shè)溫度為直線分布，氣液界面無溫（Tg=Tsat)邊界條件x=0,忽略顯熱積分得考慮到溫度的非線性等因素，Nusselt等人對關(guān)系式作了改進Jokobnumber顯熱與潛熱之比薄膜液比熱容可以忽略參數(shù)對應(yīng)平均溫度平板及圓筒體都適用（Ja<0.1,1<Pr<100)4.1.2垂直板上波動及湍流傳熱當平板很大時，湍流可能出現(xiàn)在液流薄膜上，導致傳熱增強ReynoldsNumber薄膜液平均流速等效直徑dP301800層流波動流湍流Re波動流簡單校正（+20%）Chen（1987）從波動流到對流Whatunit?參數(shù)都以液膜計算根據(jù)Re判別4.1.3水平板上層流傳熱spharecylinderdd湍流情況很少介紹，一般因高度不大，以層流計算？4.2.沸騰傳熱（boilingheattransfer)4.2.1.大容器沸騰（poolboiling)1101001000自然對流氣泡狀態(tài)過渡狀態(tài)穩(wěn)定膜狀態(tài)103104105106107530不同沸騰模式qs(W.m-2)Nukiyamaexperiment1101001000103104105106107qs(W.m-2)AE功率一定導線溫度由電阻測定氣泡狀沸騰臨界點溫差達到臨界點后，溫度迅速上升！工業(yè)應(yīng)用范圍：氣泡狀較