傳熱學相關的無量綱數的物理意義

2021-07-05 12:47:19 字數 3168 閱讀 5864

無量綱數在流體與傳熱中有重要作用,尤其對於傳熱學的工程計算,多數計算公式是以無量綱數為基礎的相似準則,所以理解無量綱數的物理意義顯得格外重要。

無量綱數

兩個具有相同量綱的物理量的比值成為乙個無量綱的量,習慣上稱為無量綱量或無量綱數。

雷諾數是流體力學中表徵粘性影響的相似準數。為紀念o.雷諾而命名,記作re。
re=ρvl/μ,ρ、μ為流體密度和動力粘度,v、l為流場的特徵速度和特徵長度。對外流問題,v、l一般取遠前方來流速度和物體主要尺寸(如機翼弦長或圓球直徑);內流問題則取信道內平均流速和通道直徑。

雷諾數表示作用於流體微團的慣性力與粘性力之比。兩個幾何相似流場的雷諾數相等,則對應微團的慣性力與粘性力之比相等。雷諾數越小意味著粘性力影響越顯著,越大則慣性力影響越顯著。雷諾數很小的流動(如潤滑膜內的流動),其粘性影響遍及全流場。雷諾數很大的流動(如一般飛行器繞流),其粘性影響僅在物面附近的邊界層或尾跡中才是重要的。在涉及粘性影響的流體力學實驗中,雷諾數是主要的相似準數。但很多模型實驗的雷諾數遠小於實物的雷諾數,因此研究修正方法和發展高雷諾數實驗裝置是流體力學實驗研究的重要課題。

用於亞音速、超音速或可壓流動計算,以航天航空領域最為常用。
常寫作mach數,是表示速度的量詞,又叫馬赫數。一馬赫即一倍音速:馬赫數小於1者為亞音速,馬赫數大於5左右為超高音速;馬赫數是飛行的速度和當時飛行的音速之比值,大於1表示比音速快,同理,小於1是比音速慢。它是高速流的乙個相似引數。我們平時所說的飛機的mach數是指飛機的飛行速度與當地大氣(即一定的高度、溫度和大氣密度)中的音速之比。比如ma1.6表示飛機的速度為當地音速的1.6倍。

流體中浮力與平流熱量之積對黏性力與傳導熱量之積的比值的無量綱數ra=[α(t2-t1)d3g]/ν·κ。其中g為重力加速度,α為熱膨脹係數,t2-t1為特徵垂直溫度差,d為流體特徵深度,ν為運動學黏性係數,κ為導溫係數。

公式:gr=(β*g*(l^3)*(t-t』))/(ν^2)
β是體積變化係數,對於理想氣體即等於絕對溫度的倒數,g是重力加速度,l是特徵尺度,分子最後一項為溫差,分母是運動粘滯係數的平方。

它反映自然對流程度的特徵數。 當格拉曉夫數相當大,約 gr>10e9 時,自然對流邊界層就會失去穩定而從層流狀態轉變為紊流狀態 。所以格拉曉夫數gr在自然對流過程中的作用相當於雷諾數 re 在受迫對流過程中的作用,其大小能確定邊界層的流動狀態。

格拉曉夫數 ,自然對流浮力和粘性力之比 ,控制長度和自然對流邊界層厚度之比。格拉曉夫數gr在自然對流過程中的作用相當於雷諾數 re 在受迫對流過程中的作用,其大小能確定邊界層的流動狀態。自然對流邊界層從層流變為紊流也取決於乙個無量綱準則格拉曉夫數 gr 。 此無量綱準則將從自然對流的微分方程序的無量綱化中產生。

描述強制對流的乙個準數。與雷諾數、普朗特常數等類似。
公式: st=α/(ρ*u*cp)或 st=nu/(re*pr)

式中:α為對流傳熱系數,w/m2·k;ρ為流體密度,kg/m3;u為流體速度,m/s;

nu為努塞爾特準數,re為雷諾數,pr為普朗特準數(皆為無量綱的數值)。

在流體的溫度和流速等條件相同時,st數愈大,發生於流體與固體壁面之間的對流換熱過程就愈強烈。

eu=δp/ρu2
其中eu定義為尤拉數。它反映了流場壓力降與其動壓頭之間的相對關係,體現了在流動過程中動量損失率的相對大小。

由流體物性引數組成的乙個無因次數(即無量綱引數)群,表明溫度邊界層和流動邊界層的關係,反映流體物理性質對對流傳熱過程的影響,它的表示式為:

pr=ν/α=cpμ/k

式中,μ為動力粘度;cp為等壓比熱容;k為熱導率;α為熱擴散係數(α=λ/ρc )單位:m^2/s,v為運動粘度,單位m^2/s。其中v和α分別表示分子傳遞過程中動量傳遞和熱量傳遞的特性。 

當幾何尺寸和流速一定時,流體粘度大,流動邊界層厚度也大;流體導溫係數大,溫度傳遞速度快,溫度邊界層厚度發展得快,使溫度邊界層厚度增加。因此,普朗特數的大小可直接用來衡量兩種邊界層厚度的比值。 

不同流體的普朗特數相差很大:空氣的普朗特數約為0.7;水的普朗特數在20℃時約為 7,在100℃時約為1.75;油的普朗特數的數量級為10e3;液態金屬的普朗特數很小,如汞在20℃時為0.0266。 

流體力學中表徵流體流動中動量交換與熱交換相對重要性的乙個無量綱引數,表明溫度邊界層和流動邊界層的關係,反映流體物理性質對對流傳熱過程的影響在考慮傳熱的粘性流動問題中,流動控制方程(如動量方程和能量方程)中包含著有關傳輸動量、能量的輸運係數,即動力粘性係數μ、熱導率k和表徵熱力學性質的參量定壓比熱cp,通常將它們組合成無量綱的普朗特數來表示,簡記為pr,pr=μcp/k,式中粘度μ的單位為牛·秒/公尺^2或公斤/(秒·公尺),比熱容c的單位為焦/(公斤·開),熱導率λ的單位為瓦/(公尺·開)。

努塞爾數,是流體力學中的乙個無量綱數,以德國物理學家威廉·努塞爾特(wilhelm nusselt)的名字命名,以紀念其對此方面研究的突破。
努賽爾數反映對流傳熱強弱。計算關係式是:對流傳熱系數h與特徵長度l的乘積除以流體熱導率k。即:nu=h·l/k。l為傳熱面的幾何特徵長度(如管式換熱器,可能是管的半徑或直徑),單位是m;h單位為w/(m^2·k);k單位是w/(m·k)。(注意:k為流體的導熱係數)

定義:表徵固體內部單位導熱面積上的導熱熱阻與單位面積上的換熱熱阻(即外部熱阻)之比。
bi=δh/λ。

bi數提供了乙個將固體中的溫將與表面和流體之間的溫差相比較的量。如果bi《1,固體中的導熱熱阻遠小於流過流體邊界層的對流熱阻。因此,可以假定固體內溫度分布均勻是合理的。。

bi越小,表示內熱阻越小,外部熱阻越大。此時對於瞬態問題,採用集總引數法求解更為合適。

物理意義: bi的大小反映了物體在非穩態導熱條件下,物體內溫度場的分布規律。

傅利葉數,用於熱傳導的乙個無量綱數,是非穩態導熱計算時確定導熱係數的準數,定義為:fo=α·τ a2/v2=α·τ/l2,
fo 定義為:fo=α·τ a2/v2=α·τ/l2,式中α為固體導熱係數,m2/s;τ為非穩態導熱過程所經歷的時間,v為固體體積,m3;a為固體面積,m2;l=v/a為定型尺寸。

在非穩態導熱過程中,fo愈大,熱擾動愈能深入地傳播到物體內部,使物體內部各點溫度趨於均勻一致。並接近於周圍介質溫度。表示物體內部溫度場隨時變化的特徵。

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