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重点内容:
边界层对流换热积分方程组的组成及其解。
该方法从分析流体流过边界层任一微元宽度(微元段)时的质量、动量及能量守恒.导出边界层积分方程组,最终求解出对流换热系数。积分方程解与微分方程解相比是一种近似解。
建立边界层积分方程有两个方法,一是运用质量、动量和能量守恒直接推导,另一方法是将前述边界层微分方程沿边界层厚度积分,导出积分方程组。前者物理意义清晰,有助于理解。
一、边界层动量积分方程式及其解
1、边界层动量积分方程式
对于常物性不可压缩牛顿型流体二维稳态流动边界层

该式称为卡门边界层动量积分方程式,推导中没有附加层流或亲流的条件,故它不仅迈用于层流,也适用于紊流。
2、外掠平板层流边界层近似解
外掠平板层流边界层动量积分方程式为:

令边界层速度分布为 ,考虑相应的边界条件,确定速度分布为:

可求解出外掠平板层流边界层的厚度、局部摩擦系数及平均摩擦系数为:
; ;
二、边界层能量积分方程式及其解
1、边界层能动量积分方程式
在稳态对流换热从x=0处,即热边界层与流动边界层同时发展;流体为常物性,且Pr>1;流体无内热源;不考虑耗散热的条件下流体边界层能量积分方程为:

2、外掠平板层流边界层近似解
令边界层温度分布为 ,考虑相应的边界条件,确定温度分布为:

可求解出外掠平板层流热边界层的厚度、局部对流换热系数及平均对流换热系数为:
; ;
可整理出准则方程形式:
;
三、精确解与近似解的比较
将精确解和近似解汇总于下表
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精确解
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近似解
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流动边界层厚度
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局部摩擦系数
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热边界层厚度
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局部对流换热系数
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平均对流换热系数
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对流换热准则式
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从精确解和近似解的对比中可以得出如下结论:
(1)由积分近似解得到的速度边界层厚度表达式与精确解比较,函数关系完全相同,仅常系数偏低5.7%;
(2)近似解的局部摩擦系数仅比相似解低2.7%;
(3)两种解法的热边界层和速度边界层厚度之比基本一致;
(4)局部换热关联式和相似解的结果完全一样。(注意这是巧合)
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