第四講:一、本課的基本要求：

6.用近似積分法求層流對(duì)流換熱系數(shù)的步驟。

1.對(duì)流換熱及其分類。2.對(duì)流換熱系數(shù)的單位、物理意義及影響因素。3.牛頓冷卻公式的表達(dá)式。4.熱附面層概念及其厚度。5.對(duì)流換熱的簡(jiǎn)化模型概念、有效熱附面層厚度。第二章熱

量

傳

輸對(duì)流換熱概述二、本課的重點(diǎn)、難點(diǎn)：2.本課的難點(diǎn)是用近似積分法求層流時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)。1.本課的重點(diǎn)是對(duì)流換熱及其分類、對(duì)流換熱系數(shù)的求解方法。第二章熱

量

傳

輸§

2.3對(duì)流換熱

1.名稱：對(duì)流換熱即對(duì)流傳熱，又稱對(duì)流熱交換、對(duì)流給熱。2.含義：流體流過(guò)表面時(shí)與該表面之間所發(fā)生的熱量傳輸過(guò)程。3.前提條件：流體的流動(dòng)。4.組成：傳導(dǎo)熱量傳輸（取決于溫度梯度）

對(duì)流熱量傳輸?shù)诙聼?/p>

量

傳

輸5.影響因素：

流體的物性流動(dòng)的起因流動(dòng)的性質(zhì)速度場(chǎng)表面的幾何性質(zhì)第二章熱

量

傳

輸6.分類：第二章熱

量

傳

輸(1)按流體流動(dòng)起因：強(qiáng)制對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱(2)按流體流動(dòng)性質(zhì)：層流對(duì)流換熱紊流對(duì)流換熱(3)按附面層特性

：

層流附面層對(duì)流換熱

（平板：Re=5

105）

紊流附面層對(duì)流換熱7.研究對(duì)流換熱的目的：確定對(duì)流換熱系數(shù)。8.確定對(duì)流換熱系數(shù)的方法：

精確解法近似積分解法相似理論-模型實(shí)驗(yàn)法類似法

第二章熱

量

傳

輸2.3.1

概述

1.

對(duì)流換熱系數(shù)1）單位：W/m2

C

2）物理意義：通過(guò)單位換熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)，每單位溫差下的對(duì)流換熱量。

第二章熱

量

傳

輸對(duì)流換熱量習(xí)慣上用牛頓冷卻公式表示，即

WW/m2

流體的物性

流動(dòng)的起因

流動(dòng)的性質(zhì)

速度場(chǎng)

表面的幾何性質(zhì)

3）影響因素：第二章熱

量

傳

輸2.

熱附面層概念及對(duì)流換熱機(jī)理

第二章熱

量

傳

輸（1）熱附面層概念：流體流過(guò)一平面，當(dāng)流體和平面發(fā)生對(duì)流換熱時(shí)，在靠近平面附近要形成一層有溫度梯度的附面層，稱為熱附面層。

（2）對(duì)流換熱機(jī)理：

前面已提過(guò)，熱附面層有層流與紊流之分，附面層厚度也隨著流入平面距離的增加而加厚，隨雷諾數(shù)的增加而減少。

在熱附面層外，可視為溫度梯度=0的等溫區(qū)。附面層內(nèi)的溫度分布因附面層性質(zhì)不同而異。

dxdt第二章熱

量

傳

輸層流附面層：溫度分布為線性，流體與表面之間通過(guò)此層時(shí)的對(duì)流換熱實(shí)際上是依靠流體的傳導(dǎo)熱量傳輸。

紊流附面層：溫度分布很復(fù)雜，按紊流條件下熱附面層內(nèi)的溫度分布，可將其分為三個(gè)區(qū)域：

(i)紊流區(qū)：紊流渦動(dòng)強(qiáng)烈，

y大，質(zhì)點(diǎn)對(duì)流熱傳輸作用遠(yuǎn)大于分子微觀運(yùn)動(dòng)的傳導(dǎo)熱傳輸?shù)淖饔茫黧w摻混作用大，可視為熱阻極小的等溫區(qū)。

(ii)過(guò)渡區(qū)：紊流渦動(dòng)已大為減弱，已減少到使對(duì)流熱傳輸作用傳導(dǎo)熱傳輸作用幾乎相同的程度，熱阻已明顯增加，溫度梯度已不可忽視。

第二章熱

量

傳

輸(iii)層流底層區(qū)：靠近表面的層流底層區(qū)，

y

0，對(duì)流作用消失，熱量傳輸幾乎全部靠傳導(dǎo)，熱阻大，溫度梯度大。一般而言

此區(qū)集中了對(duì)流換熱一半以上的溫度降。對(duì)流換熱中，層流底層的傳導(dǎo)是整個(gè)過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)的原因就在于此。第二章熱

量

傳

輸（3）對(duì)流換熱的簡(jiǎn)化模型：假定流體流過(guò)平面并與之發(fā)生對(duì)流換熱，只存在溫度均勻、溫度梯度=0的核心區(qū)和靠近表面集中了全部對(duì)流換熱熱阻，溫度為線性分布的層流區(qū)。由于該區(qū)為層流，

y=0，只有傳導(dǎo)作用，甚至可認(rèn)為為一停滯層無(wú)論哪個(gè)方向的熱量傳輸只可能是傳導(dǎo)。

dxdt3.

對(duì)流換熱系數(shù)的表達(dá)式(邊界給熱微分方程式)

特點(diǎn)：抓住邊界導(dǎo)熱的主要因素，把附面層溫度場(chǎng)與對(duì)流換熱系數(shù)的確定下來(lái)，只要求得附面層溫度場(chǎng)，根據(jù)上式就可求出

，這是精確解法和近似積分解法的基本出發(fā)點(diǎn)。第二章熱

量

傳

輸

q=-

t/

y

y=0

=-

t/

y

y=0/tf

tw=

t/

y

y=0/

t2.3.2

流體流過(guò)平板時(shí)的對(duì)流換熱

1.

附面層對(duì)流換熱微分方程組

精確解法就是聯(lián)立求解上述微分方程組求得對(duì)流換熱系數(shù)。第二章熱

量

傳

輸2.

卡門(mén)近似積分法求解層流對(duì)流換熱系數(shù)

步驟：

①取附面層控制體建立能量積分方程；

②人為構(gòu)造一個(gè)溫度場(chǎng)的近似方程；

③求解積分方程；

④求。第二章熱

量

傳

輸（1）附面層能量積分方程根據(jù)能量平衡原理，可得整理后得第二章熱

量

傳

輸?shù)诙聼?/p>

量

傳

輸將其與層流下附面層動(dòng)量平衡方程相比，又可看出動(dòng)量及熱量傳輸?shù)南囝愃?。?）層流附面層的溫度場(chǎng)方程式

設(shè)溫度場(chǎng)為多項(xiàng)式如下t=a1+a2y+a3y2+a4y3根據(jù)附面層的特點(diǎn)，有四個(gè)邊界條件：據(jù)此解出待定系數(shù)a1=tw，a2=3/2（tf

tw/

t），a3=0，a4=

1/2（tf

tw/

t3）整理后得溫度方程

f

（t

tw

）/（tf

tw

）

=3/2(y/

t)

1/2（y/

t)3層流時(shí)附面層的速度方程

x

0

3/2(y/

t)

1/2（y/

t)3兩者相比再次看到動(dòng)量、熱量傳輸?shù)念愃啤?/p>

y=0，t=twy=

t，t=tfy=

t，

t/

y=0y=0，

x=

y=0，

2t/

y2=0

第二章熱

量

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輸（3）能量積分方程的解

見(jiàn)書(shū)140頁(yè)表達(dá)式2-3-5a

普蘭特準(zhǔn)數(shù)：

Pr=

/a（4）求對(duì)流換熱系數(shù)

見(jiàn)書(shū)141頁(yè)表達(dá)式2-3-7a（5）幾點(diǎn)注意

a.上列式子只能用于Pr>1的流體。氣體的Pr=0.6~1可近似使用，一般液體Pr=1~50可以應(yīng)用，液態(tài)金屬不能使用。

b.各式只適用平板的層流附面層

c.在有關(guān)準(zhǔn)