對流換熱的機理

　　由氣體力學(xué)可知，當(dāng)氣體流經(jīng)固體表面時，由于貓性力的作用，在接近表面處存在一個速度梯度很大的流體薄層，稱為速度邊界層。與速度邊界層類似，在表面附近也存在一個溫度發(fā)生急劇變化的薄層。稱為熱邊界層。一般情況下，熱邊界層的厚度S，不一定等于速度邊界層的厚度民由于層流邊界層內(nèi)分子沒有垂直于固體表面的運動。所以其中的熱傳遞只能依靠傳導(dǎo)作用，即使層流底層很薄，對熱傳遞仍有不可忽視的影響。爐內(nèi)作為載熱體的爐氣其導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此對流換熱的熱阻主要在于熱邊界層中(圖3-8)。至于紊流核心中，流體兼有垂直于固體表面方面的運動，強烈的混合大大提高了熱傳遞的強度，基本上不存在溫度梯度。

　　由以上分析可見，凡是影響邊界層狀況和紊流紊亂程度的因素，都影響到對流換熱的速率。例如流體的流速二(速度的大小決定邊界層的厚薄)、流體的導(dǎo)熱系數(shù)又(久越大層流底層的熱阻越小)、加熱爐的流體的a度產(chǎn)(貓度越大邊界層越厚)、流體的比熱容。、流體的密度P、流體和固體表面的溫度t，及t。、固體表面的形狀。和尺寸l等。換言之，對流給熱系數(shù)a是以上各因素的復(fù)雜函數(shù)，即顯然，要建立口與上述因素的真正數(shù)學(xué)關(guān)系式是十分困難的。研究對流換熱的方法(求解a)有兩種，一種是數(shù)學(xué)分析的方法，一種是實驗的方法。前者是建立起描述換熱現(xiàn)象的一組微分方程式，然后給出一些邊界條件。積分求解。由于對流現(xiàn)象的復(fù)雜性，目前只是在作了大量簡化假定以后才能解出，結(jié)果誤差也比較大。研究對流換熱現(xiàn)象更主要地是采用相似原理指導(dǎo)下的實驗法，這個方法對于研究流體力學(xué)、傳質(zhì)現(xiàn)象等領(lǐng)域的問題，也有重大的實際意義。本節(jié)主要介紹實驗法及所導(dǎo)出的部分公式。

　　對流換熱過程的數(shù)學(xué)描述

　　根據(jù)上述對流換熱的機理分析，對流換熱過程需要用一組微分方程式來描述。

　　 運動橄分方程式

　　流體中的溫度分布與速度分布有關(guān)，描述勃性流體運動的微分方程式是納維爾一斯托克斯方程，即式(2-38)。

　　 連續(xù)性橄分方程式

　　為使方程組封閉，即待定未知量數(shù)目與方程數(shù)目要相同，還要加上式(2-33)的連續(xù)性微分方程式。

　　上述微分方程組是對一切對流換熱規(guī)律的一般性描述，只能給出這類現(xiàn)象的通解。為了求解某個具體的問題，必須附加若干反映具體特點的單值條件。這些條件包括邊界條件(邊界上速度及溫度的分布等)、幾何條件、物理條件(流體的導(dǎo)熱系數(shù)A、密度P"貓度fu、導(dǎo)溫系數(shù)a等)、時間條件(穩(wěn)定流動還是不穩(wěn)定流動)。單值條件和換熱微分方程組，給出了對于對流換熱現(xiàn)象完整的數(shù)學(xué)描述。