第十章--自然对流ppt课件

《第十章--自然对流ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章--自然对流ppt课件（67页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 高等传热学内容4第一章 导热理论和导热微分方程4第二章 稳态导热 4第三章 非稳态导热 4第四章 凝固和熔化时的导热 4第五章 导热问题的数值解 4第六章 对流换热基本方程 4第七章 层流边界层的流动与换热 4第八章 槽道内层流流动与换热 4第九章 湍流流动与换热 4第十章 自然对流 4第十一章 热辐射基础 4第十二章 辐射换热计算 4第十三章 复合换热 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的

2、价款或接受服务的费用第十章第十章 自然对流自然对流 4无论内部流动或外部流动，从能量守恒的观点看，都存在流动动力问题。由流体的粘性导致可用能的损耗，因而任何流动均需要驱动力来维持。前面第七、第八章讨论的对流换热问题属于受迫对流换热的范畴，即换热是由于外力的作用导致的流动引起的，泵功率的消耗是维持流动的条件。对于粘性流体，流动中可用能的贬值是由于热力学的原因。4本章将重点讨论与受迫流动不同的对流换热问题，区别不仅在热力学方面，数学方面也有明显不同。本章讨论的流动不是受迫流动，而是自然对流，其原因是由于密度变化引起的浮升力的作用。流场与温度场是耦合的，因为温度的变化将引起密度的变化。自然对流与受迫

3、流动的另一区别是远离里面的边界条件。自然对流的自然流速度为零，且最大速度在边界层内。4自然对流分为外部流动和内部流动两类。前者指半无限大空间中壁面附近的自然对流，也称为无限大空间自然对流；后者是在有限封闭空间内的自然对流。经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 4在自然对流中，密度的变化由重力场体现其影响，体积力是不能忽视的，而密度的变化又是温度引起的，因而自然对流问题与受迫流动换热的求解明显不同，动量方程与能量方程必须同时求解。4在二维稳态流动

4、情况下，如图10-1所示，自然对流的方程组为4 (10-1-1)4 (10-1-2)4 (10-1-3)4 (10-1-4)0uvxy2uupuvuxyx 2vvpuvvgxyy 2ttuvatxy 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 4与第二章的方程相比

5、较，只是在y方向动量方程增加了体积力g。如果考虑到边界层的特点(xt，yH，H)，动量方程可简化为4 (10-1-5)4 (10-1-6)4 (10-1-7)4其中 4式(10-1-6)简化为4 (10-1-8)dppdpydydy22Vvvvuvgttxyx 22tttuvaxyxdpgdy 22vvvuvgxyx经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4流动的动力是体积力项 。4布斯涅斯克认为，在温差不大的情况下，温度只影响密度，其它物性参数均可视为常数。此外，压力对密度的影响忽略不计。引入容积膨胀系

6、数4 (10-1-9)4近似地可以写为 4 (10-1-10)4则 (10-1-11)10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 g1VpT 1VTT Vggtt 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4这样边界层自然对流的控制方程为4 (10-1-12)4 (10-1-13)4 (10-1-14)4需要强调的是，布斯涅斯克近似的应用有一定的范围。10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 0uvxy22Vvvvuvgttxyx 22tttuvaxyx经营者提供商品或者服

7、务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4下面进行数量级分析。4考虑热边界层特点，即xt，yH，分析式(10-1-14)的能量方程：4 对流项 导热项4 (10-1-15)4其中，的数量级是 。由连续性方程，有4 (10-1-16)4代入式(10-1-15)得到 4 (10-1-17)4即 (10-1-18)4然而t是未知量。10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 ttu2tttvaHwttt tttuvH2tttvaH2taHv经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失

8、，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4考虑动量方程(10-1-13)：4 惯性力项 摩擦力项 浮升力项4 ，(10-1-19)4同除以浮外力项，并代入式(10-1-18)有4 惯性力项 摩擦力项 浮升力项4 1 (10-1-20)4其中 (10-1-21)4称为瑞利数。上式表明惯性力与粘性力的关系由物性Pr数制约。Pr1时，边界层内摩擦力与浮升力平衡；Pr1时4 (10-1-22)10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 tvuvvH2tvVgt411PrHtHRa41HtHRa3VHgtHRaa1/4HtHRa经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消

9、费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4代入式(10-1-18)有4 (10-1-23)4因 ，则有4 (10-1-24)4由于Pr1，与第二章分析类似，t。由于热边界层外流体等温，流动的动力来自t。在层中惯性力与摩擦力平衡(见图10-2)：4 (10-1-25)4将 代入上式得 4 (10-1-26)10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 1/2HavRaH/th 1/4HhHNuRa2vvvH1/2HaRaH1/41/21/22aaRaRaaHHRavHH经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到

10、的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 图10-2 Pr1时的边界分析 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4从而有 (10-1-27)4或 (10-1-28)4考虑式(10-1-22)得到 4 (10-1-29)4即高Pr数流体中，受热层推动一个更厚的未加热层。通常将称为速度边界层厚度的表示对于自然对流问题是不恰当的，因为速度分布由和t两个变量决定，不只取决于。4Pr1时，在t层内力的平衡由惯性力项和浮升力顶构成，见图1

11、0-3。考虑式(10-I-19)的对应项4 (10-1-30)10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 221/2vH Raa1/21/4PrHRa1/2 Pr1t2VvgtH经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-1 自然对流层流边界层方程组自然对流层流边界层方程组 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4而 4代入式(10-1-30)有4 (10-1-31)4 (10-1-32)4 (1

12、0-1-33)4 (10-1-34)4式中，RaHPr的作用与Pr 1708时，断面上的流动形成对称的蜂窝流排列，这种流型通常称为Benard流。如图10-12所示，随Ra的增大，蜂窝流将变得众来愈复杂。4蜂窝流的传热效应，就是在竖直方向上增大净传热速率，可以用基于竖直间距H的流动平均Nu数来反映传热的增强，即4 (10-5-2)4文献21给出了 范围内的实验解：4 (10-5-3)4上式的定性温度为流体的平均温度 。Holland根据多个研究者的实验结果得出的方程如下：4空气 4 (10-5-4)4水4 (10-5-5)HqHNut593 107 10HRa1/30.0740.069PrHH

13、NuRa2hctt1/310781 1.44 115830RaNuRa 1/31/31/310781 1.44 112.01ln583040140RaRaRaNuRa 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-4 其他条件下的自然对流换热其他条件下的自然对流换热经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 410-5-2 侧面加热的竖直封闭空腔侧面加热的竖直封闭空腔4

14、处于竖直侧壁之间的流体，当施加很小的温差 时，如图10-13所示，浮升力将引起封闭空腔中介质的流动。一侧沿热壁向上流动，另一例沿壁面向下流动。当Ra数较低时，流动基本是与壁面平行进行的。中间部分传热依靠导热，随Ra数增大，中间部分温度在竖直方向有所增大。随Ra数的进一步增大，湍流在中心区域出现，然后进一步扩展到边界层。4竖直封闭空间中的自然对流可分为四种状况，如图10-14所示。hctt经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-4 其他条件下的自然对流换热其他条件下的自然对流换热经营者提供商品或者服务

15、有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 41导热状况导热状况4温度沿空腔线性变化，两竖壁间的传热数量级为 ，水平方向的温度梯度 导致了一个缓慢的顺时针流动，流动时传热的贡献不明显。42细长空间细长空间4 与前者类似，温度在两个侧壁之间线性变化，传热的数量级亦是 ，不同的是，顺时针流动具有在上下表面附近存在明显层状的特点。43高高 数数(边界层流动边界层流动)4 沿加热壁和冷却壁形成竖直边界层，沿空腔传热的数量级是 空腔中的流体是停滞的。44短封闭宅腔短封闭宅腔4传热的机理是竖

16、直边界层的作用，数量级仍是 ，不同的是存在一个细长的水平核心。水平的两服逆流引起很好的热接触。在一定的条件下，封闭的空腔内可以形成不只一个环流。/H t L/t L/H t LHRa/tH t/tH t经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 4推荐的竖直封闭空间的层流自然对流换热的准则关联式为4 (10-5-6)4 (10-5-7)0.280.09Pr0.220.2PrHHLNuRaH513210,Pr10,10HRaL0.290.13Pr0.180.2

17、PrHHLNuRaH3512,10Pr10HL33Pr100.2PrHLRaH经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 410-5-3 复杂空间的自然对流复杂空间的自然对流4前面讨论的封闭空间都是理想的边界条件，本书作者考虑了热边界条件受有限厚度壁面导热及空腔内壁面间辐射换热的影响，如图10-15所示。4若考虑正方形空间的流动为层流，则描述现象的无量纲控制方程组为：4固体壁导热方程4 (10-5-8)4用流函数和涡度表示的动量方程为4 (10-5-9)22

18、221ssssataxrshctttt2222PrPrUVRatxytxY 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-4 其他条件下的自然对流换热其他条件下的自然对流换热经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 4能量方程为4 (10-5-10)4壁面间无量纲净辐射热流为4 (10-5-11)4其中 、为无量纲有效辐射和无量纲温度。用数值方法求解了上述方程组，图1

19、0-16给出了相同壁而条件下理想边界与实际边界的等温线图。显而易见，壁面的导热对温度有很大的影响v辐射换热的份额不可以忽略，一般可占总换热量的2030。4此外，为减少封闭空间中的对流换热，一般可以在空腔内设置隔板，如图10-17所示，有关详细讨论可参阅有关文献。4其它封闭空间的自然对流找热问题(水平圆柱内、倾斜坚壁、有内热源的封闭空腔)，限于篇幅，这里不再讨论。2222UVtxYxY 4/1rijrijijqssJs Jr经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用10-5 封闭空间自然对流换热封闭空间自然对流换热 10-17 具有隔板的封闭空腔