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对流换热

影响对流换热的因素 1流体流动的起因（强制对流与自然对流） 2流体有无相变(有相变对流换热系数大) 3流体流动状态（层流 有规则分层流动 湍流 各部分剧烈混合） 4换热表面几何因素（换热表面的形状大小，与流体的相对位置，换热表面的状态光滑粗糙） 5流体的物理性质（流体的密度，动力粘度，导热系数，比定压热容） h=f(流速，特征长度，密度，动力粘度，导热系数，比定压热容)。

传热机理 由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换热过程热对流与导热的综合作用的结果。

获得表面传热系数表达式的方法 分析法 实验法 比拟法 数值法

对流换热的完整数学描写 对流换热微分方程组（质量守恒，动量守恒，能量守恒 四个方程四个未知量可求得温度场，再引入换热微分方程可求出流体与固体壁面的对流换热系数）及定解条件

能量微分方程式的推导假设条件 1流动是二维的 2流体为不可压缩牛顿型流体 3流体物性为常数，无内热源 4粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计

边界层 粘滞性起作用的区域仅仅局限在靠近壁面的薄层内。此薄层外速度梯度很小粘滞性造成的切应力可忽略不计，于是该区域的流动可作为理想流体的无旋流动，数学求解大大简化。薄层之内，运用数量级分析的方法对N-S方程化简，可获得不少粘性流体的分析解

速度边界层 固体表面附近速度发生剧烈变化的薄层 达到主流速度99％处的距离为流动边界层的厚度

温度边界层 固体表面附近温度发生剧烈变化的薄层 以过余温度为来流温度的99％为热边界层厚度

层流边界层 平板起始段，边界层很薄，随x增加，壁面粘滞力影响逐渐向内部传递，边界层逐渐增厚，在某一距离之前流体一直做有秩序的分层流动，各层互不干扰 湍流边界层 沿流动方向随边界层厚度增加，边界层内部粘滞力与惯性力的对比向着惯性力相对增大的方向变化，促使边界层内的流动变得不稳定，自前缘某位置处，质点在沿x运动的同时，又做着紊乱的不规则脉动。

边界层理论的四个基本要点 1粘性流体沿固体表面流动时，流场可划分为主流区和边界层区，主流区速度梯度几乎为零 2边界层厚度与壁面尺寸相比是个很小的量，远不止小一个数量级 3主流区流动可视为理想流体流动，边界层区应考虑粘性的影响，主流方向流速的二阶导数项忽略不计 4边界层内流动状态分层流与湍流

同类的物理现象才能谈相似 同类现象指用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象

对流换热现象本身的复杂性和太多的影响因素结实验研究带来了很大困难。然而按照相似理论，可以把所有的影响因素以某种合理的方式组合成少数几个无量纲特征数，并从整体上把它们看作综合变量。这样作不仅使问题的自变量数目大大减少，而且对扩大实验结果的应用范围极有益处。

两个同类现象相似的判别条件 1同名已定特征数（Re Pr）相等 2单值性条件相似

单值性条件 1初始条件 非稳态问题中初始时刻的物理量分布 2边界条件 所研究系统边界上的温度，速度分布 3几何条件 换热表面的几何形状，位置及表面粗糙度 4物理条件 物体的种类及物性

相似原理两个应用 1指导试验的安排及试验数据的整理 2指导模化试验

定性温度的引入 由于流体内各处温度并不相等，以至各处的物性数值也不系统，为处理方便起见，一般引入定性温度，将热物性作为常数处理

流速对换热的影响 紊流层流底层厚度远小于层流边界层厚度。紊流的换热强度远大于层流。处于相同流动状态时，速度越大会使边界层厚度（紊流层流底层厚度）减小，造成导热阻减小，从而增强了对流换热。

速度场与温度场 由于对流换热过程温度场与流体的速度场是相关联的，为求温度场，又必须先解流体内的速度场。描写速度场的数学表达式是连续性方程和流体运动微分方程式(或称动量方程式)，描写温度场的数学表达式是能量微分方程。这样，对流换热过程微分方程式、连续性方程式、运动微分方程式以及能量微分方程式总和称为对流换热微分方程组(或称控制方程)。

液体的粘度是随温升而降低的，则当它被冷却时壁面附近的液体粘度较管心处高，粘性力增大，速度将低于等温流的情况；气体，情形与液体相反，它的粘度随温度的增加而增大

脱体现象： 流体的压强在管的前半部递降，而后又趋回升。与压强的变化相应，主流速度则先逐渐增加，面后又逐渐降低。特别要注意的是在压强增大的区域内，流体需靠本身 的动能来克服压强的增长才能向前流动，而靠近壁面的流体由于粘滞力的影响速度比较低，相应的动能也较小，其结果是从壁面的某一位置开始速度梯度达到 0 壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。以致从 0 点开始壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动，该点称为绕流脱体的起点 ( 或称分离点 ) 。

自然对流 不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀性所引起的流动。

自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称自模化现象。

考虑—块等温竖板周围空气的自然对流运动。设板温高于流体的温度。板附近的流体被加热因而密度降低 ( 与远处未受影响的流体相比 ) ，向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层。如果竖板足够高，到一定位置也会从层流发展成为湍流边界层。自然对流湍流时的换热当然也明显强于层流。

板温低于流体温度，板附近流体被冷却密度增大，向下运动并在表面形成很薄的边界层。竖板足够高，到一定位置会从层流边界层发展为湍流边界层，自然对流湍流换热强于层流。

竖壁附近自然对流的温度分布和速度分布 不均匀的温度场造成不均匀的密度场 ，由此产生的浮升力成为运动的动力。一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在贴壁出，流体温度等于壁面温度，离开壁面的方向温度逐渐降低，直到周围环境温度；而速度分布则有中间大两头小的特点。贴壁处，由于粘性力的作用速度为零，薄层外缘温度不均匀性消失，速度也等于零，偏近热壁处温度有峰值

对流换热的强化主要机理在于如何破坏或减薄边界层，如何增强流体的扰动，改变流体物性也可起到强化传热的作用 短管强化 弯管强化

、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：

表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性?

答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。

2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗?

答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程

，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用

绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。

3、简述边界层理论的基本论点。

答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值； 边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大；

边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层； 流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）；