对流传热 交互可视化教学

本实验室以交互式可视化方式,帮助建立对流传热的物理图像。

拖动每个模块的控件,实时观察不同工况下的结果变化。

面向本科《传热学》

01管内流动:入口段 vs 充分发展段

流体以均匀速度入管,近壁无滑移使速度边界层向中心生长,剖面从活塞流畸变为抛物线(中心速度升至 2U)。热边界层(温度色场)同步生长。调节 RePr 可改变入口长度,切换壁面条件改变温度场方向。
1000
5.0
颜色:蓝=冷 → 红=热 青箭头:速度(越长越快) 青虚线:速度入口段 Lₕ 橙虚线:热入口段 Lₜ
入口长度(层流):Lₕ/D≈0.05·Re;Lₜ/D≈0.05·Re·Pr(Pr≥1 时成立;绘制长度随 Re,Pr 自适应,保证 Lₕ、Lₜ 均落在图内)。

02外掠平板:速度边界层 δ 与热边界层 δt

流体以 U 流过前缘。速度边界层 δ(x)∝x1/2(Blasius 层流);温度渐变区为热边界层 δt。调节 U 改变边界层厚度,切换 Pr壁面条件对比两者关系。
1.0
7.0
温度云图:蓝=冷 → 红=热 青线:速度边界层 δ 橙线:热边界层 δt

03两类边界层的关系:由普朗特数 Pr 决定

δt/δ ≈ Pr−1/3。Pr≪1(液态金属)→ δt 厚于 δ;Pr≈1(气体)→ 近相等;Pr≫1(油)→ δt 远薄于 δ。拖动滑块或点预设。
Pr = 7.0
青框:速度边界层 δ 橙框:热边界层 δt δt/δ = Pr−1/3

04管内强迫对流:表面传热系数 h(x) 沿程变化

局部 hx=Nux·k/D。入口边界层最薄、梯度最陡 → hx 最高;下游单调下降收敛到渐近常数。切换层流/湍流恒壁温/恒热流,调节 RePr 看曲线整体抬升或变化。
2000
5.0
青线:Nux ∝ 局部 hx 黄虚线:充分发展值 红点:当前位置
层流:Nux=Nu+0.0668·Gz/(1+0.04·Gz2/3),Gz=(D/x)RePr;湍流:Nu=0.023Re0.8Pr0.4(Dittus–Boelter)。

05速度畸变:入口段演化 与 变物性附加畸变

(a) 入口段速度畸变:剖面从均匀到抛物线。(b) 变物性畸变:壁面传热改变黏度 → 剖面畸变。调节 黏度比 μwb:加热液体(μwb)近壁流速被抬高→剖面更饱满;冷却则更尖。
0.60
蓝虚线:等温抛物线 红实线:畸变剖面 箭头:速度(越长越快)