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1、高等传热传质理论高等传热传质理论高等传热传质理论 对流换热 10学时李小波热辐射10学时杨昆热传导10学时邬田华2对流换热对流换热李小波华中科技大学 热能与动力工程学院3内内容容10个课时对流换热的物理基础及数学描述边界层理论平板外流对流换热分析管内受迫流动对流换热分析自然对流换热相变传热对流传质4参考书参考书Incropera,F.P.,andDeWitt,D.P.,Fundamentals of Heat and Mass transfer,Wiley,NewYork,7theditionMills,A.F.,Heat and Mass Transfer,Irwin,Chicago,Ill
2、.,1995.Kays,W.M.,andCrawford,M.E.,Convective heat and mass transfer,McGraw-Hill,NewYork,4thedition.5Lecture I对对流换热流换热物理基础及数学描述物理基础及数学描述6对流换热的概念对流换热的概念对流换热对流换热描述的是流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。Convection:describe energy transfer between a surface and a fluid moving over the surface.Convection includes energy t
3、ransfer by both the bulk fluid motion(advection)and the random motion of fluid molecules(conduction or diffusion).7FirstflightoftheWrightFlyerI,December17,1903,Orvillepiloting,Wilburrunningatwingtip.8边界层理论提出时的历史背景边界层理论提出时的历史背景9边界层理论（边界层理论（Boundary Layer Theory）参考参考阅读：Ludwig Prandtls boundary layer,P
4、hysics Today,2005,58,no.12,42-48).1011郭永郭永怀钱伟长林家林家翘钱学学森森Hermann Schlichting1213速度边界层的定义速度边界层的定义定义：当流体流过固体壁面时,由于流体粘性的作用,使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层或速度边界层边界层厚度是比壁面尺寸小一个数量级以上的小量14速度边界层实例速度边界层实例(cm)15层流与湍层流与湍流流 边界层边界层Theboundarylayerinevitablythickensandbecomeslessstableastheflowdevelopsalongthebody,a
5、ndeventuallybecomesturbulent,theprocessknownasboundarylayertransition1617温度边界层温度边界层Increasingx,temperaturegradientsintheboundarylayermustdecreasewithincreasingx.Accordingly,themagnitudeofdecreaseswithincreasingx,andh decreasewithincreasing.18对流换热系数的计算对流换热系数的计算Newtonslawofcooling:对流换热系数：在壁面处，流体速度为零，热
6、只通过传导传递上式h为局部表面传热系数，整个表面的表面传热系数应把牛顿冷却公式用于整个表面得出19控制方程（控制方程（Governing equations）1.连续性方程（连续性方程（Continuity equation）推导：质量守恒定律控制容积内，质量的变化率=单位时间流入的质量 单位时间流出的质量+单位时间内部生成的质量稳态流动(steady state flow)：不可压缩流动(incompressible flow)：Or20控制方程（控制方程（Governing equations）2.动量动量方程方程(Momentum equation)推导：牛顿第二定律对不可压缩流体，且黏
7、性系数为常数时，动量守恒方程简化为Navier-Stokes方程：运动黏性系数：单位：m2/s21控制方程（控制方程（Governing equations）3.能量方程能量方程推导：能量守恒定律对不可压缩流体：其中耗散函数：流体变形时，外部通过黏性应力对单位体积流体做功的功率2223二二维维N-S方程方程外掠平板，2D，稳态，层流，不可压缩流体，常物性，忽略黏性耗散24数量级分析数量级分析In the boundary layer:25边界边界层方程层方程ContinuityequationMomentumequationEnergyequationN-S方程方程Scaleanalysis边界界层方程方程26控制方控制方程的推导程的推导参考阅读参考阅读J.F.Wendt(ed.),Computational Fluid Dynamics,3rded.,Chapter2.GoverningEquationsofFluidDynamics，J.D.Anderson,Jr.AdrianBejan,ConvectionHeatTransfer,3rdEd.,2004Chapter22728对流换热的分类对流换热的分类29流体力流体力学发展史学发展史