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热边界层

热边界层(thermal boundary layer),亦称“温度边界层”。是指黏性流体流动壁面附近形成的以热焓剧变为特征的流体薄层。

指研究对流换热问题时,所设想的流体的温度变化全部集中于其中的一流体薄层。是边界层理论中的基本概念之一。如温度为t的流体纵向掠过壁面温度为tw(t)的无限宽平板时,流体与平板之间将进行对流换热; 此时除非流体的导热系数很大(如液态金属),否则流体的温度也和速度一样,只在贴近板面的一薄层中才有显著的变化,因而形成了 “温度边界层”。实验表明,其厚度δt总是沿流动方向随着板长x值的增加而逐渐增大(见附图)。若以δ表示速度边界层的厚度,则δt与δ之间的大小关系取决于流体的物理性质,即取决于普朗特准则Pr的大小。当Pr=1时, δt=δ;Pr<1时,δt>δ; Pr>1时, δt<δ。

Pr表示普朗特准则,

上式确定了常物性流体外掠常壁温平板层流换热时热边界层的厚度。

对于层流热边界层,管内的热损失主要是导热。对于紊流热边界层,管内的热损失主要是对流。热边界层管道的整个热损失是比较小的,若保温层绝热良好,热量损失就可以被保温层隔绝。此外,采用管沟敷设形式既能对管道进行检修,又能起到减小热损失的效果。

利用温度边界层的概念常可使对流换热温度场和对流换热系数的分析求解大为简化。

流动边界层和热边界层的状况决定了边界层内的温度分布和热量传递过程。

对于层流,温度呈多项式曲线弄分布,对于紊流则呈幂函数型分布(除液态金属外),紊流区边界层贴壁处的层流底层内温度梯度将明显大于层流区。

在概述图中,标绘了局部表面传热系数hx沿平板的变化情况,从平板前缘开始,随着层流边界层增厚,hx将较快的降低。当层流向紊流转变后,因紊流传递作用增大,hx将明显高于层流转变前,随后,由于紊流边界层厚度增加,hx再呈缓慢下降之势。将局部表面传热系数沿全板长积分,可得全板平均表面传热系数h。

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