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1、第四章第四章 非耦合外部层流边界层非耦合外部层流边界层的换热和传质的换热和传质能源与环境学院能源与环境学院2011.12主要内容主要内容4.1 纵向绕流平壁的换热纵向绕流平壁的换热4.2 纵向绕流楔形物体的换热纵向绕流楔形物体的换热4.3 壁面有抽吸核喷注时的换热壁面有抽吸核喷注时的换热4.1 4.1 纵向绕流平壁的换热纵向绕流平壁的换热Thermal boundary layerFree streamxy纵向绕流平壁对流换热纵向绕流平壁对流换热（1）物理模型）物理模型假设：假设：常物性；常物性；无内热源；无内热源；忽略体积力；忽略体积力；忽略粘性耗散。忽略粘性耗散。二维稳态边界层数学模型二维
2、稳态边界层数学模型（2）数学模型）数学模型非耦合非耦合速度场与温度场无关速度场与温度场无关常物性常物性（3）速动方程求解）速动方程求解相似变量相似变量引入流函数引入流函数龙格库塔数值计算龙格库塔数值计算H.Blasius 方程方程平壁层流边界层中速度分布平壁层流边界层中速度分布速度场结果分析：速度场结果分析：摩擦阻力系数摩擦阻力系数信息？信息？（4）温度方程求解）温度方程求解相似变量相似变量无量纲温度无量纲温度E.Pohlhausen 方程方程温度场结果分析温度场结果分析0.41.20.81.6 2.02.400.20.40.60.81.02.62.8 3.2 3.6 4.0纵向绕流平壁时得无
3、量纲温度分布纵向绕流平壁时得无量纲温度分布热边界层厚度热边界层厚度0.010.101.00温度场结果分析温度场结果分析壁面热流壁面热流局部换热系数局部换热系数局部局部Nux温度场结果分析温度场结果分析4.2 4.2 纵向绕流楔形物体的换热纵向绕流楔形物体的换热假设：假设：常物性；常物性；稳态；稳态；二维流动；二维流动；低速层流。低速层流。mm-0.0199-0.1991/90.2-0.0654-0.141/30.5001141.6（1）物理模型）物理模型控制方程控制方程边界条件边界条件（2）数学模型）数学模型动量方程边界条件V.M.Falkner 和S.W.Skan方程（3）速度方程求解）速度
4、方程求解速度场结果分析：速度场结果分析：13245600.20.40.60.81.0加速流动加速流动减速流动减速流动加速流动（顺压力梯度加速流动（顺压力梯度)边界层厚度薄边界层厚度薄减速流动（逆压力梯度）减速流动（逆压力梯度）边界层厚度厚边界层厚度厚出现回流现象出现回流现象 切向速度切向速度 法向速度法向速度 边界层厚度边界层厚度速度场结果分析：速度场结果分析：（4）温度方程求解温度方程求解温度分布为温度分布为温度结果分析：温度结果分析：壁面热流壁面热流qw,x局部对流换热系数局部对流换热系数hx局部努塞尔数局部努塞尔数Nux无量纲温度分布无量纲温度分布楔形角对描述换热特征的楔形角对描述换热特
5、征的无量纲温度分布的影响并无量纲温度分布的影响并不十分明显，相对不十分明显，相对 而言，而言，Pr数对温度分布的影响要数对温度分布的影响要大得多。大得多。13200.20.40.60.81.0温度结果分析：温度结果分析：0.11100100.010.1110温度结果分析：温度结果分析：000温度结果分析：温度结果分析：4.3 4.3 壁面有抽吸和喷注时的换热壁面有抽吸和喷注时的换热基本概念基本概念流体从边界层中吸出，避免边界层分离，降低流动阻力。流体从边界层中吸出，避免边界层分离，降低流动阻力。流体通过壁面吹进边界层中，保护壁面不受高温侵蚀。流体通过壁面吹进边界层中，保护壁面不受高温侵蚀。主流
6、主流射流射流薄膜冷却薄膜冷却假设：假设：抽吸和喷注的量很小，流动仍满足边界层理论的简化条件；抽吸和喷注的量很小，流动仍满足边界层理论的简化条件；喷注流体与主流流体相同；喷注流体与主流流体相同；壁面温度与抽吸或喷注流体的温度相同。壁面温度与抽吸或喷注流体的温度相同。xy（1）物理模型）物理模型控制方程控制方程边界条件边界条件（2）数学模型）数学模型求解求解喷注参量喷注参量（3）结果分析）结果分析无量纲速度分布无量纲速度分布喷注使流动边界层增厚，抽吸使流动边界层减薄。喷注使流动边界层增厚，抽吸使流动边界层减薄。喷注参量超过喷注参量超过0.619后，边界层被横向后，边界层被横向“吹吹”离平壁，边界层假设不成离平壁，边界层假设不成立。立。0246810120.20.40.60.81.00240.20.40.60.20.40.60.01.00.88121640换热系数和传质系数的变化规律换热系数和传质系数的变化规律抽吸使换热增强，喷注使换热减弱。抽吸使换热增强，喷注使换热减弱。