《对流换热原理》课件

对流换热原理对流换热是一种常见的传热方式通过流体的流动来传输热量本节课将深入探,讨对流换热的基本原理和规律帮助您更好地理解这一热传递机制,对流换热的概念热量传递的机制与其他换热方式的区别对流换热的分类对流换热是指通过流体（液体或气体）的运对流换热有别于热传导和辐射换热它包含根据流体运动的方式对流换热可分为自然,,动来实现热量的传递这种方式是热量传递了流体的流动和物质的运动过程这使得对对流和强制对流两种这两种机制各有独特最常见和最重要的形式之一流换热的机理更为复杂但传热效率也更高的物理特点和工程应用,对流换热的分类自然对流强制对流由温度差引起的密度差而产生的流动对流换热现象通过外部施加的压力差或泵送等方式产生的流动对流换热现象混合对流沸腾与凝结对流既有自然对流驱动也有强制对流驱动的混合换热过程相变过程中的相界面换热属于特殊类型的对流换热自然对流自然对流是在温度梯度作用下引起的流体的流动不需要外部力的,作用当温度差在重力作用下形成浮力差时温度较高的流体上升,,温度较低的流体下降从而形成自然对流循环,自然对流在工程应用中普遍存在如太阳能集热系统、建筑物采光,和散热等自然对流的物理机制温度差引起1温度差导致流体密度差异浮力作用2较轻流体上浮带动流动巴罗米特负压3压力差引发自然对流循环自然对流的物理机制是基于温度差引起的流体密度差异温度高的流体密度低在重力作用下产生浮力较轻的流体上浮带动整个流体循环,,运动同时温度差还会造成压力差形成巴罗米特负压效应进一步推动自然对流的产生,,自然对流的传热系数10-1000W/m²·K自然对流传热系数的典型范围

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0.1m自然对流换热时的边界层厚度10-100℃自然对流换热时的温度差自然对流换热的传热系数主要取决于温度差和流体特性它通常在之间边界层厚度为10-1000W/m²·K,温度差为换热效率较低但应用广泛如建筑物供暖、太阳能热利用等

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0.1m,10-100℃,,强制对流强制对流是指通过外加的机械力作用造成流体在物体表面或管道内运动从而促,进对流传热过程的一种换热方式与自然对流相比强制对流可以显著提高传热,效率强制对流广泛应用于各种工程领域如涡轮发动机、冷却系统、散热器等是非常,,重要的换热方式之一强制对流的物理机制流体流动1通过外部作用力驱动流体流动边界层薄膜2流体与固体表面形成边界层温度梯度3边界层内存在温度梯度对流换热4温度梯度导致热量从高温向低温传递强制对流换热是通过外部装置如风扇或泵强制驱动流体流动使流体与物体表面产生边界层从而形成温度梯度导致热量从高温向低温传递的过程,,,这种方式可以显著提高换热效率广泛应用于工业生产中,强制对流的传热系数主要影响因素流体流速、流体性质、表面形状等计算公式Nu=CRe^mPr^n无量纲的努塞尔数表示对流传热Nu,强度无量纲的雷诺数表示流体运动状Re,态无量纲的普朗特数表示流体热传Pr,导性能与流动形式和几何形状有关的实验C,m,n常数对流换热的边界层理论边界层概念边界层流动类型12边界层是流体与固体表面之间边界层流动分为层流和湍流两的一个过渡层在这里流体的速种这决定了流体的流动状态和,,度和温度发生迅速变化传热方式边界层换热机制边界层理论应用34边界层内流体的流动和温度梯边界层理论为计算对流换热系度变化决定了对流换热的强弱数提供了重要依据是对流换热,程度分析的基础边界层流动类型层流边界层湍流边界层过渡流动流动平稳、有序流线型排列具有很高的层流动紊乱出现大小漩涡热量和动量传递强由层流过渡到湍流是一个复杂的过程受诸,,,,,,流稳定性烈具有较高的传热和阻力特性多因素影响,边界层换热方程边界层流动分析基于流体边界层理论可以对对流换热过程进行分析建立相应的,,换热方程动量边界层方程描述边界层内流体流动的微分方程包括连续性方程、动量方程,和能量方程能量边界层方程描述边界层内温度分布的微分方程可用于计算对流换热过程中,的热传递边界层换热问题的求解边界层方程组求解1通过数值计算解决边界层方程组确定流动和温度场的分布利,用相似解法可简化计算逐步逼近法2将问题分步求解先求出流速分布再计算温度分布利用迭代方,,,法逐步逼近精确解试探法3采用合理的试探函数将问题转化为线性方程组通过求解获得近,,似解管内流动的边界层理论边界层形成边界层厚度边界层类型边界层影响当流体沿管壁流动时由于管边界层厚度随流动位置的增加管内流动的边界层可分为层流管内边界层的发展直接影响流,壁的粘滞作用流体与管壁之而不断增大对于管内流动边界层和湍流边界层两种边体阻力和传热性能合理控制,,间会形成一层边界层管内边在进口处边界层很薄随着流界层类型的转变取决于流动条边界层可以降低阻力并提高,,界层的产生与发展对流动阻程的发展逐步增厚直至达到稳件如雷诺数等传热效率,,力和传热性能有重要影响定状态管内强制对流换热系数湍流边界层换热复杂流动1湍流边界层中存在复杂的流动模式扰动传播2湍流扰动快速传播提高传热效率,温度波动3温度在湍流边界层内产生强烈波动相比于层流边界层湍流边界层内的流动更加复杂多变湍流中的扰动能快速在边界层内传播提高了对流换热的传热效率同时湍流边界,,,层内温度也会产生强烈的波动进一步改善了对流换热的性能,湍流边界层传热量公式湍流边界层传热过程复杂需要依靠实验数据来确定传热系数常用的湍流边界,层传热量公式包括努塞尔特公式和普兰特朗公式这些公式可以准确预测管道、平板等物体表面的湍流边界层传热量广泛应用于工程实践中,自然对流边界层换热自然对流边界层流动温度分布特点换热系数计算在自然对流条件下固体表面与流体间产生在自然对流边界层内温度会随距离表面的自然对流边界层换热系数可通过无量纲参数,,温差会在表面形成一层边界层其中流体会距离而逐渐降低形成一个温度边界层如格拉斯霍夫数、普朗特数等进行计算和预,,,受浮力作用而产生自然对流流动测自然对流边界层传热量公式自然对流边界层传热量可以通过牛顿冷却定律计算得到:热流密度:q=hTs-T∞传热系数:h=fGr,Pr无量纲参数重力浮力黏性动力粘性系数热:Gr=/Pr=/力扩散系数^2通过实验或理论推导可以得到不同几何条件下的值表达式从而计算出自然对,h,流传热量自然对流换热实例分析房间换热水罐加热电热水器汽车散热器在一间有窗户的房间内阳光将装有水的罐子加热水温升电热水器内部的水受加热元件汽车发动机产生大量热量散,,,照射使墙壁变热窗户和墙壁高后水面附近的水变轻产生的加热水温升高后水面附近热器利用自然对流带走热量,,,,之间就会形成自然对流热空自然对流热量从罐底传导至的热水上升带走热量从而形发动机舱内的热空气上升带,,,,气上升带走热量从而使房间水面再通过对流传播至整个成自然对流换热循环动周围空气流动从而实现散,,,,温度降低水体热强制对流换热实例分析空调制冷系统室内空调机通过电机驱动风机产生强制气流带走室内热量并传递到室外机进行散热,,汽车发动机发动机活塞运动产生热量通过水泵强制循环冷却水将热量带走并传递到散热器进行辐射散热,,涡轮机叶片发电厂涡轮机高速旋转的叶片与通过的空气产生强制对流带走涡轮机内部的大量热量,对流传热系数测定方法实验测量法热流计法12通过实验直接测量受热表面和利用已知热流密度和温差按换,流体之间的温差以及热流密度热公式计算出对流传热系数,计算出对流传热系数能量平衡法积分边界层法34通过测量系统的输入功率和温利用边界层理论通过测量速度,度变化根据能量平衡方程求得分布和温度分布计算对流传热,对流传热系数系数自然对流传热系数测定方法加热板法冷却室法在一个恒定温度的加热平面上放将试件置于恒温室内通过测量试,置试件通过测量温度差和热流量件表面温度和周围环境温度来确,来计算传热系数定传热系数热线法利用细热电偶或热线传感器测量温度梯度从而推算出自然对流传热系数,强制对流传热系数测定方法风洞试验管路试验法热电偶测量法在风洞中通过控制气流速度和温度测量物在管路中测量流体进出口温度差和流量结利用热电偶精确测量物体表面和流体温度,,,体表面温度变化从而计算出强制对流传热合管壁温度即可得出管内强制对流传热系数再结合流体流速等参数计算出强制对流传热,系数这种方法能精确模拟实际工作条件适用于管道传热过程的研究系数操作简单适合实验室研究,对流换热应用举例建筑物内部空调系统工业生产过程汽车散热系统电子设备散热利用强制对流使室内空气更许多工厂生产中需要通过强制汽车引擎产生大量热量需要高功率电子设备如、显卡,,CPU加流通并达到理想温度湿度对流来调节温度如金属冶炼通过水泵带动的强制对流散热等需要通过强制对流散热器,,如中央空调系统、风机盘管等、玻璃制造、电子电器生产等来保证发动机安全稳定工作或风扇来维持正常工作温度广泛应用影响对流换热的重要参数流体流向与速度物理性质12流体的流向和速度是影响对流流体的密度、粘度、导热系数换热的关键因素，确定了传热等物理特性也会极大影响对流过程的强弱换热边界条件几何因素34固体表面温度、流体入口温度物体形状、尺寸、表面粗糙度等边界条件的设置对对流换热等几何参数也会影响对流传热很重要对流换热的热传导学分析传热通路分析1对流换热过程中，热量通过导热、对流和辐射三种方式进行传递需要分析各种传热方式的相对重要性及其相互关系温度梯度分析2对流过程中存在复杂的温度分布，需要对流场和温度场进行耦合分析，准确描述温度梯度变化边界条件分析3对流换热过程中的边界条件非常复杂，需要根据实际情况设定合适的边界条件进行热传导分析对流换热的流体力学分析边界层分析1研究对流换热过程中流体边界层的流动状态和特性动量传递分析2探讨流体动量在换热界面的传递机制热量传递分析3分析流体热量在换热界面的传递过程对流换热的流体力学分析集中在研究流体边界层的特性、动量传递机制和热量传递过程通过边界层分析可以了解流体的流动状态动量传,递分析可以揭示流体动量在换热界面的传递规律热量传递分析则可以阐明热量在换热界面的传递过程这些分析为对流换热过程的深入理,解提供了理论基础对流换热的工程应用制冷与空调工业生产对流换热在制冷和空调系统中发各种生产工艺都需要对流换热如,挥关键作用通过吸收和释放热量冶金、化工、石油等行业中的加,实现温度调节热、冷却、蒸发等过程汽车与航空电子设备散热对流传热在汽车发动机、飞机发电子设备产生大量热量通过对流,动机等装置中发挥重要作用确保换热有效地把热量散出保证设备,,设备安全高效运行稳定运转对流换热的发展趋势技术创新节能环保传热仿真和计算流体力学的发展推动对流换热在节能和可再生能源领域扮了对流换热理论的不断完善和应用创演着重要角色，提高能源利用效率是新发展重点多物理耦合大数据应用未来对流换热研究将侧重于化学反应大数据分析有助于更精确预测和优化、电磁场等多物理场的耦合效应对流换热过程，提高工程设计效率。