竖壁对流换热系数计算模型的探讨

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第26卷第5期东北大学学报(自然科学版)
V01.26,No.5
2005 年5月
Journal
ofNortheastern
University(Nat ural
Science)May
2005
文章编号:1005—3026(2005 )05.0484—04
竖壁对流换热系数计算模型的探讨
孙志礼1,闰明1,李国权2
(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;2.沈阳发动机设计研究所,辽宁沈阳110 015)
摘要:根据流体边界层理论,研究了高普朗特数常物性不可压缩流体在重力作用下,沿竖
直壁面无初速度加速流动过程中速度边界层和热边界层的形成规律,给出了速度边界层和热边界
层的厚 度函数.据此,研究了该模型下对流换热系数的计算方法,推导出计算公式.在短距离流动
中,该模型的 速度边界层和热边界层较流体外掠水平板模型厚,换热较弱,因此对流系数较小.工
程实际中的许多换热 问题都可以简化成流体在重力作用下沿竖直平板流动模型.把该模型下得到
的对流系数公式应用于飞机附 件机匣的传热计算中,得到了比较精确的结果.
关键词:竖壁;对流换热系数;边界层;重力
中 图分类号:TK
124
文献标识码:A
对于常物性不可压缩流体以恒定速度掠过水以上 假设是符合实际情况的.首先取边界层
平板时,边界层形成过程和对流换热系数计算方内一个控制容积, 列出边界层动量积分方程式,计
法的研究已经相当成熟【1--3J.换热表面的形状、算速度边界层厚 度函数艿(32)(以下用艿表示).
尺寸和相对位置等几何因素不同,影响流体的流然后,用边界层能 量积分方程式计算热边界层厚
动,对流动状态、速度分布和温度分布都将产生度函数占.(z)(以下用 8。表示).最后,利用换热
显著影响,从而导致换热规律不同,对流换热系
微分方程式获得对 流换热系数口。.
数大小各异【4,5J.对于流体在重力作用下,沿竖
直平板的加速流动的换 热系数还没有计算模型可
2边界层模型的建立
用【6,7j.这种换热形式在工程实际中也是比 较常
2.1
竖壁边界层动量积分方程式
见的,因此,对这种模型的研究和计算具有重要
图1表示常物性不可压缩流体,沿竖直平壁
的理论意义和实用价值.在这种情况下流体受到的二 维稳态流动速度边界层.按图示取控制容积
重力而没有支持力,使得速度边界层和温度边界
ab cd,沿z轴方向为微元长度dz,沿Y方向为边
层的形成过程与水平板不同,此时流体的速度是
一个变量,使问题的研究变得复杂.本文借助边
界层理论,建立一种求解对流换热系数的计算模
型和计算方法.
1主要假设和计算程序
假设板的高度不大,流体为层流流动.流体为
油类等高Pr数流体.
Pr:旦.
(1)

式中,v是流体的运动黏度,a是 流体的热扩散率.
可见,Pr数的大小表明流体传递动量和传递热量
图1竖板速度边界层
能力的相对大小.
Fig.1Velocityboundarylayeralong
ve rtical
plane
收稿日期:2004—07.29
基金项目:国防“十五”规 划预研基金资助项目(APlnl002.005).
作者简介:孙志礼(1957一),男,山东巨野 人,东北大学教授,博士生导师;李国权(1963一),男,河北秦皇岛人,沈阳发动机设计研
究所研 究员.
万 方数据


第5期
孙志礼等:竖壁对流换热系数计算模型的探讨 485
界层厚度,设z方向为单位宽度.由量级分析[7]
知,流体在边界层内Y方向上的流速 很小,故仅
考虑z方向上的动量变化.
单位时间通过曲进入控制容积的流体质量
流量为 lDI
udy(1D为流体密度),则其动量为
P肛虮
穿过趔界面流出控制容积的动量 为
P肛”口悬(肛dy)批
控制容积底部(固体壁面)口d面没有流体进
出,并且流动 为稳态,根据质量守恒,穿过6c进入
控制容积的质量流量应等于流人口6面与流出么
面的质量 流量之差,即
P跏0y+P鑫婚dy卜一P胁y=
ID五d\j。乱dy)dz.
设壁 面z处的主流速度为“。。(z),且忽略它
在如段变化的高阶项,则通过6c界面进入控制
容 积的流体动量为
肛。。(z)五d\J。“曲卜.
因此,流出控制体abcd的流体动量减去流 人
的流体动量即为流体通过微元段在z方向的动
量变化,即
lD悬∽乱2dy)dz一 肛。(z)五d
IJ。“曲)如.
根据动量定理,在z方向上的动量变化必须
等于在z 方向上作用在控制体上外力的代数和.
作用在控制体上的外力有:壁面上的黏滞切应力
为一r。 dz;重力gpdz;边界层右侧边界无黏滞
切应力;流体处于失重状态,可以认为口6面和耐
面没有压力差.于是动量定理可表达为
P引d护3
2dy卜一∥。。(z)悬(eudy)dz =
g∞dz—zI。dx.
(2)
其中,
乱。。(.72)= ̄/29x.( 3)
2.2竖壁速度边界层厚度6的表达式
为积分式(2),还须补充边界层速度分布函数“=f(Y).假设速度边界层内速度分布为三次多
项式[7]:
南=量2荸一土2(荸) 3.’(4)
“o。(z)一

\d/

、’7
将上式对Y 求导,得壁面处速度梯度为
万 方数据
孰f至2掣.
融l。:o


(5)
…7
代人壁面黏滞切应力定义式得
一户孰=11=号∥掣.(6)2户荀I。:o

rw
i∥下‘LbJ
式中,p为流体的动力黏度.将式(3),(4),(6)代人式(2)得
P鑫(嚣脚)-p
2~/Tggx五d(专俪 艿)=
觏得五d3+3X~2畿南_l・
矽一i3产字.
令z=艿2,五dz=2艿五 d3,
故意+等z^2豁j
解得z
式中,C为积分常数.
2&一器+魄27p 石g{・
根据初始条件心=0.艿=0.知C=0.
注意到:v=卫.
式中,v为流体 的运动黏度.
艿:1.7127v乏1
g一{2百1.
(7)
2.3竖壁边界 层能量积分方程式
如图2所示,在z处取边界层一段长度dx,Y
方向上为速度边界层厚度,z 方向为单位长度,得
到控制体abcd,设稳态对流换热从z=0开始,壁
温为t。,主流温度 为tf,艿。为热边界层厚度,主流
速度为U。。(z),流体为常物性,且Pr》l(即
3t <d).据边界层量级分析[71知:g《芝.故推
az—


导中仅考虑Y 方向的导热,没有耗散热及内热源.
图2竖板温度边界层
Fig.2
Thermal< br>boundarylayeralong
vertical
plane

< br>东北大学学报(自然科学版)
根据以上设定司以得到边界层能量积分方程
式(推导过程同 参考文献[8]):
第26卷
代人初始条件:z=0,艿,=0,得C=0,则
艿。: 2.527
瓤‘托(tf-tm=口考Jv=o.
式中,tf为流体主流温度.把上式变形可得 到
5ajlg一{y{z百1.
(13)
式(13)适用于Pr>87的流体.
2.5竖壁换热系数计算的模型
把式(10),(13)代人换热微分方程式
烈‘啪r飞)_ (…w)]dy=口苗L.
(8)
式中,t。为壁面温度.
a丝I
‰一t。一 tf劬『,:o‘

可以得到局部换热系数为
补充热边界层内温度分布函数t=厂(y ).假
设温度边界层内温度分布为三次多项式[7]:
蕞互犷一㈥
一。
2艿。

\艿t/‘
3.(9)
…7
将上式对Y求导,得壁面处 温度梯度:
乱f鱼2警.

”叫
ay
v:o
艿t
( 10)
对于Pr>>l的流体,温度边界层比速度边界
层薄得多.因而,温度边界层内的速度分 布可以认
a“I
“2荀l删Y・
“=号鼍屿.
“2
i—P’
…)
L1l,
把式(7)代人式(11)得到热边界层内速度分
“:1.238
69;y一{z{y.
(12)
把式(9),(10),(12)代入式(8)得到
1.238
69{v一{‰飞)蹦。z{了・
[,一吾式+丢㈥3
dy亍丢n警.M=1.238
69言y一专,
釜+吉z~诚=器叮i1嘶z.
x一“dz‘塞+詈z^=孺45a・z一{.
2=&一百1+百20a
z;.
万 方数据口。=0.593
52a一394
lJ一一6
z一一4.
(14)
当平板高度为H时的平均换热系数为
a:嵝型鸭掣心一{dz:
a=————1了——一l< br>z4dz=
o.791
3A口一了19百1
v~{H—百1.
(15)
式(7)的推导中假定流体层流流动,式(13)限
定所研究流体的热边界层的厚度小于速度边 界
层,即高Pr数流体.式(7),(13),(14),(15)在
Pr≥87和Re:.H J-夏n<1×106时可以得到
高精度的计算结果[9,10],对4≤Pr<87流体可以
近似使用.
流体以恒定速度外掠水平板时边界层的厚度
与zi成正比.在本文所研究的模型中速 度是变量.
由式(7),(13)知,此模型中速度边界层和温度边界
层的厚度与z毒成正比.
3实际应用
某型飞机附件机匣内用4050高温合成润滑
油,润滑油的热物理性质参数 如表1所示.
表1润滑油的热物理性质
Table1
Thermal
phys ical
properties
ofthe
!些!!!坐!堕型
£/℃
708090100
A“W・m一1・℃一1)0.139
0.1380.1370.136


108/(m2・S~1)
7.637.49
7.34
7.19
v×106/(m2・S一1)
2719.714.911.5
普朗特数Pr
354263203160
假定机匣内壁高H=0.51TI,润滑油从顶端
沿壁无初 速度流下,计算平均换热系数.
由表1知,Pr>87.
根据雷诺数Re=一u1-1,其中, “=v厂孺.得
到流体的雷诺数,如表2所示.
可见Re<1×106,流动为层流.利用式( 15)
得平均对流换热系数,如表2所示.
2.4竖壁温度边界层的厚度5。的表达式
为是线性的,即
将式(5)代入上式得
布:

整理得
令z=艿3,贝 0


第5期
孙志礼等:竖壁对流换热系数计算模型的探讨
表2 雷诺数和平均对流换热系数
Table2
Reynolds
nLrrberandme anconvectioncoefficient
487
[J].Flow,nrbulen ceandCombusion,1998,60(6):173
4结论
—192.
[ 4]Schlichting
H.Boundary
layer
theory[M]. 7th
ed.New
(1)推导出高Pr数常物性不可压缩流体在
重力作用下,沿竖壁 无初速度加速流动过程中对
流换热系数的计算模型.
(2)由式(7),(13),(14)知 ,随流动长度增加,
速度边界层和温度边界层变厚,换热系数减小.
(3)由式(15)可知, 全板长平均换热系数是

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Convection
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Insti tute,Shenyang

10015,China.Correspondent:SU N
Zhi—li,professor,E-mail:szlneu@126.
corn)< br>rules
of
the
formation
of
bothvelocity
and
thermal
boundary
layers
of
an
incompressible
fluid
flowing
at
zero
initial
velocity
along

vertical
plane
undertheaction
of
gravity
are
discussed,of
whichthe
flui d
isfeaturedwith

big
Prandtl
numb er
and
constant
thermal
property.Compu ting
formulasof
thickness
of
both
v elocity
and
thermal
boundarylayers
are
given.Then.based
on
these
formulas
the
calculation
method
on
the
conv ective
heat
coefficient
iS
Abstract:Ba sed
on
the
boundary
layer
theory,th e
mathernatical
expression
derivedin
d etail.Compared
with
the
model
thatthe< br>fluid
flows
along

bofizontal
p lane.both
the
velocity
boundary
layer< br>and
thermal
layer
beo∞舱thicker
and< br>the
convection
heat
transfer
iSlass
turbulent
inshortdistance
flow.Many
p roblems
ofheattransfer
inactual
engineeri ng
can
be
simplified
aS
the
mode ls
that
fluid
flows
along
vertical< br>plane
undertheactionof
gravity.Applyingthese
formulas
in
thethermal
analysi s
ofthe
gearbox
attached
to
art
aeroengine,an
accurate
result
was
obta ined.
discussed
further
with

Key< br>words:vertical
plane;convection
coefficie nt;boundary
layer;gravity
(ReceivedJuZv
2 9,2004)
万方数据 


竖壁对流换热系数计算模型的探讨
作者:< br>作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
被引用次数:
孙 志礼, 闫明, 李国权, SUN Zhi-li, YAN Ming, LI Guo- quan
孙志礼,闫明,SUN Zhi-li,YAN Ming(东北大学,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110004)
, 李国权,LI Guo-quan(沈阳发动机设计研究所,辽宁,沈阳,110015)
东北大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)
2005,26(5)
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