第五章 對流換熱.doc

第五章 對流換熱本章內(nèi)容要求：1 、重點(diǎn)內(nèi)容：對流換熱及其影響因素；牛頓冷卻公式；用分析方法求解對流換熱問題的實(shí)質(zhì)；邊界層概念及其應(yīng)用；相似原理；無相變換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及換熱量的計(jì)算 2 、掌握內(nèi)容：對流換熱及其影響因素；用分析方法求解對流換熱問題的實(shí)質(zhì) 3 、講述基本的內(nèi)容： 對流換熱概述； 對流換熱的數(shù)學(xué)描寫； 對流換熱的邊界層微分方程組； 邊界層積分方程組的求解及比擬理論； 相似原理及量綱分析； 相似原理的應(yīng)用； 內(nèi)部流動(dòng)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式； 外部流動(dòng)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式； 自然對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1。對流換熱的概念：流體固體壁面；2對流換熱中，導(dǎo)熱和對流同時(shí)起作用；3對流換熱的影響因素：，h過程量；4對流換熱系數(shù)如何確定：、基本概念對流換熱：流體流過固體壁面情況下發(fā)生的熱量交換。傳熱機(jī)理：由于流體粘滯力的作用，使流體在固體壁面上處于不流動(dòng)的狀態(tài)，所以使流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。通過固體壁面的熱流也會(huì)在流體分子的作用下向流體擴(kuò)散(熱傳導(dǎo))，并不斷地被流體的流動(dòng)而帶到下游（熱對流），因而對流換熱過程熱對流與導(dǎo)熱的綜合作用的結(jié)果。、對流換熱的特點(diǎn)）必須有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，必須有溫差；）對流換熱既有熱對流，也有熱傳導(dǎo)；）流體與壁面必須有直接接觸；）沒有熱量形式之間的轉(zhuǎn)化3、對流換熱的計(jì)算牛頓冷卻公式（1701年）流體被加熱時(shí)， 流體被冷卻時(shí)， 其中及分別為壁面溫度和流體溫度；用表示溫差（溫壓），并取為正，則牛頓冷卻公式表示為或其中h比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）單位。h的物理意義：單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。牛頓冷卻公式只是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義式，并沒有揭示表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與影響它的有關(guān)物理量之間的關(guān)系。對流換熱研究的基本任務(wù)就是要揭示這種關(guān)系， 用理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。5-1 對流換熱概述一、對流換熱現(xiàn)象換熱設(shè)備；暖氣片；電子元件的散熱等等傳熱機(jī)理：由于流體粘滯力的作用，使流體在固體壁面上處于不流動(dòng)的狀態(tài)，所以使流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。通過固體壁面的熱流也會(huì)在流體分子的作用下向流體擴(kuò)散(熱傳導(dǎo))，并不斷地被流體的流動(dòng)而帶到下游（熱對流），因而對流換熱過程熱對流與導(dǎo)熱的綜合作用的結(jié)果。二、影響對流換熱的因素由于對流換熱過程是熱對流與導(dǎo)熱綜合作用的結(jié)果，所以對流換熱影響因素應(yīng) 所有影響熱對流和導(dǎo)熱基本方式的因素、流動(dòng)的起因和流態(tài)：h受迫h自然；h層流h紊流由于流動(dòng)起因的不同，對流換熱分為強(qiáng)制對流換熱與自然對流換熱兩大類；自然對流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)（Free convection）強(qiáng)制對流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)（Forced convection）粘性流體存在著層流及湍流兩種不同的流態(tài)，對流換熱分為層流對流換熱與湍流對流換熱兩大類；層流：整個(gè)流場呈一簇互相平行的流線（Laminar flow）湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（Turbulent flow）、流體的種類及物理性質(zhì)：影響對流換熱的熱物性是（a）、p、（）、（容積膨脹系數(shù)）等等。（1）導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)大，流體內(nèi)和流體與壁之間的導(dǎo)熱熱阻小，換熱就強(qiáng)，入水的導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高20余倍，故水的傳熱系數(shù)h遠(yuǎn)比空氣高。（2）比熱容與密度：比熱容與密度大的流體，單位體積攜帶更多的熱量，從而對流作用傳遞熱量的能量高。（3）粘度：粘度大，阻礙流體的運(yùn)動(dòng)，不利于熱對流。溫度對粘度影響較大，對應(yīng)液體，粘度隨溫度增加而降低，氣體相反。由于流體內(nèi)各處溫度并不相等，以至各處的物性數(shù)值也不系統(tǒng)，為處理方便起見，一般引入定性溫度，將熱物性作為常數(shù)處理。3、流體有無相變：h單相1時(shí)，Pr=/a，a，粘性擴(kuò)散 熱量擴(kuò)散，速度邊界層厚度溫度邊界層厚度。當(dāng)Pr1時(shí)，Pr=/a，a，粘性擴(kuò)散 熱量擴(kuò)散，速度邊界層厚度溫度邊界層厚度。這也可以從公式得出。5-5 相似原理及量綱分析通過實(shí)驗(yàn)求取對流換熱的實(shí)用關(guān)聯(lián)式，仍然是傳熱研究中的一個(gè)重要而可靠的手段。然而，對于存在著許多影響因素的復(fù)雜物理現(xiàn)象，要找出眾多變量間的函數(shù)關(guān)系，比如，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)十分龐大。為了大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，而且又可得出具有一定通用性的結(jié)果，必須在相似原理的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 學(xué)習(xí)相似原理時(shí)，應(yīng)充分理解下面3個(gè)問題：實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該測量那些量實(shí)驗(yàn)后如何整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得結(jié)果可以推廣應(yīng)用的條件是什么一、相似原理 用實(shí)驗(yàn)方法求解對流換熱問題的思路1、物理量相似的性質(zhì)（1）用相同形式且具有相同內(nèi)容的微分方程時(shí)所描述的現(xiàn)象為同類現(xiàn)象，只有同類現(xiàn)象才能談相似。（2）彼此相似的現(xiàn)象，其同名準(zhǔn)則數(shù)必定相等。（3）彼此相似的現(xiàn)象，其有關(guān)的物理量場分別相似實(shí)驗(yàn)中只需測量各特征數(shù)所包含的物理量,避免了測量的盲目性，這就解決了實(shí)驗(yàn)中測量哪些物理量的問題2、相似準(zhǔn)則之間的關(guān)系（1）各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關(guān)系，如常物性流體外略平板對流換熱特征數(shù)：（2）整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，即按準(zhǔn)則方程式的內(nèi)容進(jìn)行。這就解決了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何整理的問題3、判別現(xiàn)象相似的條件（1）單值性條件相似：初始條件、邊界條件、幾何條件、物理?xiàng)l件（2）同名的已定特征數(shù)相等（3）兩種現(xiàn)象相似是實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式可以推廣應(yīng)用的條件二、獲得相似準(zhǔn)則數(shù)的方法：相似分析法和量綱分析法1、相似分析法：在已知物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，建立兩現(xiàn)象之間的一些列比例系數(shù)，尺寸相似倍數(shù)，并導(dǎo)出這些相似系數(shù)之間的關(guān)系，從而獲得無量綱量。 以圖5-13的對流換熱為例，現(xiàn)象1：現(xiàn)象2：與現(xiàn)象有關(guān)的各物理力量場應(yīng)分別相似，即 相似倍數(shù)間的關(guān)系 獲得無量綱量及其關(guān)系：上式證明了“同名特征數(shù)對應(yīng)相等”的物理現(xiàn)象相似的特性類似地：通過動(dòng)量微分方程可得：能量微分方程：對自然對流的微分方程進(jìn)行相應(yīng)的分析，可得到一個(gè)新的無量綱數(shù)格拉曉夫數(shù)式中：a 流體的體積膨脹系數(shù) K-1 Gr 表征流體浮生力與粘性力的比值 2、量綱分析法：在已知相關(guān)物理量的前提下，采用量綱分析獲得無量綱量。（1）基本依據(jù)：p 定理，即一個(gè)表示n個(gè)物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換為包含 n - r 個(gè)獨(dú)立的無量綱物理量群間的關(guān)系。r 指基本量綱的數(shù)目。（2）優(yōu)點(diǎn): (a)方法簡單；(b) 在不知道微分方程的情況下，仍然可以獲得無量綱量例題：以圓管內(nèi)單相強(qiáng)制對流換熱為例(a)確定相關(guān)的物理量 n=7(b)確定基本量綱 r 國際單位制中的7個(gè)基本量：長度m，質(zhì)量kg，時(shí)間s，電流A，溫度K，物質(zhì)的量mol，發(fā)光強(qiáng)度cd因此，上面涉及了4個(gè)基本量綱：時(shí)間T，長度L，質(zhì)量M，溫度Q所以 r = 4n r = 3，即應(yīng)該有三個(gè)無量綱量，因此，我們必須選定4個(gè)基本物理量，以與其它量組成三個(gè)無量綱量。我們選u,d,l,h為基本物理量(c)組成三個(gè)無量綱量 (d)求解待定指數(shù)，以p1 為例同理：于是有：單相、強(qiáng)制對流強(qiáng)制對流：自然對流換熱：混合對流換熱：Nu 待定特征數(shù)含有待求的 h）；Re，Pr，Gr 已定特征數(shù)按上述關(guān)聯(lián)式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)用關(guān)聯(lián)式解決了實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何整理問題.5-6 相似原理的應(yīng)用1.相似原理的重要應(yīng)用：相似原理在傳熱學(xué)中的一個(gè)重要的應(yīng)用是指導(dǎo)試驗(yàn)的安排及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理（前面已講過）。相似原理的另一個(gè)重要應(yīng)用是指導(dǎo)模化試驗(yàn)。所謂?；囼?yàn)，是指用不同于實(shí)物幾何尺度的模型（在大多數(shù)情況下是縮小的模型）來研究實(shí)際裝置中所進(jìn)行的物理過程的試驗(yàn)。 2.使用特征方程時(shí)應(yīng)注意的問題（1）特征長度應(yīng)該按準(zhǔn)則式規(guī)定的方式選取。如：管內(nèi)流動(dòng)換熱：取直徑 d；流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動(dòng)：取當(dāng)量直徑作為特征尺度：（2）定性溫度應(yīng)按該準(zhǔn)則式規(guī)定的方式選取定性溫度：計(jì)算流體物性時(shí)所采用的溫度常用的選取方式有：通道內(nèi)部流動(dòng)取進(jìn)出口截面的平均值；外部流動(dòng)取邊界層外的流體溫度或去這一溫度與壁面溫度的平均值。（3）準(zhǔn)則方程不能任意推廣到得到該方程的實(shí)驗(yàn)參數(shù)的范圍以外特征尺寸，特征流速和定性溫度我們在對流動(dòng)換熱微分方程組進(jìn)行無量綱化時(shí)，選定了對應(yīng)變量的特征值，然后進(jìn)行無量綱化的工作，這些特征參數(shù)是流場的代表性的數(shù)值，分別表征了流場的幾何特征、流動(dòng)特征和換熱特征。這里再作一點(diǎn)分析。特征尺寸，它反映了流場的幾何特征，對于不同的流場特征尺寸的選擇是不同的。如，對于流體平行流過平板選擇沿流動(dòng)方向上的長度尺寸；對于管內(nèi)流體流動(dòng)選擇垂直于流動(dòng)方向的管內(nèi)直徑；對于流體繞流圓柱體流動(dòng)選擇流動(dòng)方向上的圓柱體外直徑。特征流速，它反映了流體流場的流動(dòng)特征，是可以參照的特征參數(shù)，且易于確定。不同的流場其流動(dòng)特征不同，所選擇的特征流速是不同的。如，流體流過平板，來流速度被選擇為特征尺寸；流體管內(nèi)流動(dòng)，管子截面上的平均流速可作為特征流速；流體繞流圓柱體流動(dòng)，來流速度可選擇為特征流速。定性溫度，無量綱準(zhǔn)則中的物性量是溫度的函數(shù)，確定物性量數(shù)值的溫度稱為定性溫度。對于不同的流場定性溫度的選擇是不同的，這得根據(jù)確定該溫度是否方便以及能否給換熱計(jì)算帶來較好的準(zhǔn)確性來選取。一般的做法是，外部流動(dòng)常選擇來流流體溫度和固體壁面溫度的算術(shù)平均值，稱為膜溫度；內(nèi)部流動(dòng)常選擇管內(nèi)流體進(jìn)出口溫度的平均值（算術(shù)平均值或?qū)?shù)平均值），當(dāng)然也有例外。3 常見無量綱(準(zhǔn)則數(shù))數(shù)的物理意義及表達(dá)式5-7 內(nèi)部流動(dòng)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1-1 一般分析當(dāng)流體受迫在管內(nèi)對流換熱時(shí)，處理影響單相流體對流換熱的一般因素外，還應(yīng)考慮到管內(nèi)輪流地及換熱的4個(gè)特殊因素：進(jìn)口段與充分發(fā)展段；平均速度與平均溫度；物性場的不均勻性；管子的幾何特征一、進(jìn)口段與充分發(fā)展段、流動(dòng)進(jìn)口段與充分發(fā)展段流體在管內(nèi)流動(dòng)屬于內(nèi)部流動(dòng)過程，其主要特征是，流動(dòng)存在著兩個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)段，即流動(dòng)進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段和流動(dòng)充分發(fā)展區(qū)段，如圖所示。在流體流入管內(nèi)與管壁面接觸時(shí)，由于流體黏性力的作用近壁會(huì)形成流動(dòng)邊界層。隨著流體逐步向管內(nèi)深入，邊界層的厚度也會(huì)逐步增厚，當(dāng)邊界層的厚度等于管子的半徑時(shí)，邊界層在管子中心處匯合，此時(shí)管內(nèi)流動(dòng)成為定型流動(dòng)。那么，從管子進(jìn)口到邊界層匯合處的這段管長內(nèi)的流動(dòng)稱為管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口區(qū)，而進(jìn)入定型流動(dòng)的區(qū)域稱為流動(dòng)充分發(fā)展區(qū)。如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體流動(dòng)仍然保持層流，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后也就繼續(xù)保持層流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)層流流動(dòng)過程。如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體已經(jīng)從層流流動(dòng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后就會(huì)維持紊流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動(dòng)過程。如果邊界層匯合時(shí)正處于流動(dòng)從層流向紊流過渡的區(qū)域，那么其后的流動(dòng)就會(huì)是過渡性的不穩(wěn)定的流動(dòng)，稱為流體管內(nèi)過渡流動(dòng)過程。層流速度分布 紊流速度分布層流進(jìn)口區(qū) 層流充分發(fā)展區(qū)紊流進(jìn)口區(qū) 紊流充分發(fā)展區(qū)（a）管內(nèi)層流流動(dòng)（b）管內(nèi)紊流流動(dòng) 圖流體管內(nèi)流動(dòng)換熱示意圖實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re2300時(shí)為層流流動(dòng)，當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re104時(shí)為紊流流動(dòng)，而雷諾數(shù)在2300 Re104之間時(shí)管內(nèi)流動(dòng)處于過渡流動(dòng)區(qū)域。上述關(guān)系式中的雷諾數(shù)定義為,式中um為管內(nèi)流體的截面平均流速，d為管子的內(nèi)直徑，為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。在流動(dòng)充分發(fā)展段，流體的徑向流速分量為零，軸向速度不再變化，即、熱進(jìn)口和充分發(fā)展段當(dāng)流體溫度和管璧溫度不同時(shí)，在管子的進(jìn)口區(qū)域同時(shí)也有熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管內(nèi)深入，熱邊界層最后也會(huì)在管中心匯合，從而進(jìn)入熱充分發(fā)展的流動(dòng)換熱區(qū)域，在熱邊界層匯合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。隨著流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪?，熱邊界層亦有層流和紊流熱邊界層之分。?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常物性流體在常熱流和常壁溫邊界條件下，流體從進(jìn)口開始經(jīng)歷熱進(jìn)口段后即進(jìn)入熱充分發(fā)展斷，熱充分發(fā)展段的特征是，管內(nèi)任意點(diǎn)的溫度組成的無量綱溫度隨官場保持不變，即因無量綱溫度僅僅是的函數(shù)，對求導(dǎo)，并當(dāng)時(shí)，應(yīng)用傅立葉導(dǎo)熱定律以及牛頓冷卻公式，可得到說明，常物性流體在熱充分發(fā)展斷的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)保持不變。、管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口段和熱進(jìn)口段的長度對于層流和紊流是不一樣的。層流時(shí)流動(dòng)進(jìn)口段的長度l由如下關(guān)系決定：而層流時(shí)的熱進(jìn)口段長度為,(對于)均勻壁溫。(對于)紊流時(shí)流動(dòng)進(jìn)口段和熱進(jìn)口段長度幾乎是一樣的，有。層流熱進(jìn)口段長度隨著pr增加而變長。在紊流情況下，當(dāng)邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱?，將有一些回升，并迅速趨于不變，紊流時(shí)候的熱進(jìn)口段較層流短得多，為管徑的10-45倍。由于在進(jìn)口段流動(dòng)邊界層和熱邊界層是逐步發(fā)展的，隨著邊界層的逐步增厚流體與管壁之間的換熱系數(shù)也從進(jìn)口處的最大值逐步減小，當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入充分發(fā)展階段之后換熱系數(shù)趨于一個(gè)定值。如果邊界層在匯合之前從層流變?yōu)槲闪鳎捎谖闪髦写嬖诹黧w微團(tuán)的動(dòng)量和熱量的交換，換熱性能就比層流為好。隨著紊流邊界層的發(fā)展換熱系數(shù)又逐步減小，邊界層匯合后換熱系數(shù)同樣趨于一個(gè)定值。二管內(nèi)流體平均速度及平均溫度管內(nèi)受迫對流換熱中 Re 中的速度為管斷面平均速度，定型尺寸為管內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。 流體平均速度： 流體平均溫度： 在常熱流條件下，可取管的進(jìn)出口斷面平均溫度的算術(shù)平均值作為流體平均溫度，即： ； 在常壁溫條件下，流體與壁面間的溫度差將沿管長按對數(shù)曲線規(guī)律變化，流體平均溫度用下式計(jì)算： ， 三物性場不均勻在換熱條件下，由于管中心和靠近管壁的流體溫度不同，因而管中心和管壁處的流體物性也會(huì)存在差異。特別是粘度的不同將導(dǎo)致有溫差時(shí)的速度場與等溫流動(dòng)時(shí)有差別。如圖，若管內(nèi)為液體，液體的粘度是隨溫升而降低的，則當(dāng)它被冷卻時(shí)壁面附近的液體粘度較管心處高，粘性力增大，速度將低于等溫流的情況，這時(shí)的速度分布將變成曲線 2 的情形。如果液體被加熱，則速度場將變?yōu)?3 的情形。顯然曲線 3 在壁面上的速度梯度大于曲線 2 。在流體平均溫度相同的條件下，這種現(xiàn)象將造成加熱液體時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于冷卻液體時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這就是不均勻物性場 ( 由冷卻或加熱引起 ) 的影響。對于氣體，情形與液體相反，它的粘度隨溫度的增加而增大，所以，由于熱流方向不同引起粘度變化對換熱的影響恰與液體相反。 四、管子的幾何特征對于非圓形管道如橢圓管、矩形管及套管間流動(dòng)；定型尺寸由 d 改為當(dāng)量直徑 d e ； 對于彎曲管道如螺旋形管，流體通道呈螺旋形。在彎曲的通道中流動(dòng)產(chǎn)生的離心力，將在流場中形成二次環(huán)流，如圖，二次環(huán)流的路徑是沿管徑流向外側(cè)，再沿管壁流向內(nèi)側(cè)，此二次環(huán)流與主流垂直，它增加了對邊界層的擾動(dòng)，有利于換熱，而且管的彎曲半徑越小，二次環(huán)流的影響越大。 1-2管內(nèi)受迫對流換熱計(jì)算在分析了管內(nèi)流體流動(dòng)換熱的一些特征之后，我們就可以對不同流動(dòng)狀態(tài)的管內(nèi)流動(dòng)換熱進(jìn)行換熱計(jì)算。這一工作可以在給出相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式的基礎(chǔ)上進(jìn)行。管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re104時(shí)，管內(nèi)流體處于旺盛的紊流狀態(tài)。此時(shí)的換熱計(jì)算可采用下面推薦的準(zhǔn)則關(guān)系式。（Dittus-Boelter）準(zhǔn)則關(guān)系式,422式中，,可見特征尺寸為d，特征流速為um，流體物性量采用的定性溫度是，為流體的平均溫度；流體被加熱，而流體被冷卻。公式422的適用范圍是，平直管且管長直徑之比;溫差較小，所謂小溫差是指對于氣體,對于水，對于油類流體；雷諾數(shù)普朗特?cái)?shù)。公式的修正1）溫差修正液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱恒定溫度的情況管內(nèi)流動(dòng)溫度對速度分布的影響示意圖當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時(shí)，因管截面上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的影響會(huì)發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變化導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。流體截面速度分布受溫度分布影響的示意圖可從圖417中觀察到。因此，在大溫差情況下計(jì)算換熱時(shí)準(zhǔn)則式右邊要乘以物性修正項(xiàng)。對于液體乘以，液體加熱n=0.11，液體冷卻n=0.25(物性量的下標(biāo)表示在什么溫度下取值)；氣體。2）彎管修正彎曲管道流動(dòng)情況示意圖如果管子不是平直管，這對流體流動(dòng)和換熱也會(huì)產(chǎn)生影響。在彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來換熱的增強(qiáng)。如果管道彎曲的部分比較少，這種影響可以忽略不計(jì)。圖418顯示了彎曲管的流動(dòng)情況。彎曲管道內(nèi)的流體流動(dòng)換熱必須在平直管計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)大于1的修正系數(shù)，即。對于流體為氣體時(shí);對于流體為液體時(shí)；式中R為彎曲管的曲率半徑。3）入口修正當(dāng)管子的長徑比l/d60時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng)換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時(shí)亦應(yīng)在按照長管計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修正系數(shù)，即。對于尖角入口的短管，推薦的入口效應(yīng)修正系數(shù)為。2. 管內(nèi)層流換熱計(jì)算公式當(dāng)雷諾數(shù)Re2300時(shí)管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)，由于層流時(shí)流體的進(jìn)口段比較長，因而管長的影響通常直接從計(jì)算公式中體現(xiàn)出來。這里給出Sieder-Tate的準(zhǔn)則關(guān)系式：。此式的適用范圍是：,同樣是用于平直管。式中準(zhǔn)則的特征尺寸、特征流速和定性溫度都仍然與關(guān)系式4-22相同。3. 管內(nèi)過渡流動(dòng)區(qū)換熱計(jì)算公式當(dāng)雷諾數(shù)處于Re2300104的范圍內(nèi)時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)屬于層流到紊流的過渡流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)十分不穩(wěn)定，從而給流動(dòng)換熱計(jì)算帶來較大的困難。因此，工程上常常避免采用管內(nèi)過渡流動(dòng)區(qū)段。這里推薦如下兩個(gè)準(zhǔn)則關(guān)系式：，此式用于氣體，其使用范圍為；，此式用于液體，其使用范圍為。以上兩式準(zhǔn)則的特征尺寸、特征流速和定性溫度均與上關(guān)系式相同。5-8 外部流動(dòng)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制。橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動(dòng)具有邊界層特征，還會(huì)發(fā)生繞流脫體。外掠單圓管流動(dòng)換熱時(shí)，應(yīng)考慮脫體現(xiàn)象等特殊因素。 流體橫向繞流圓柱體的流動(dòng)如圖所示。按照勢流理論，流體在圓柱體的前部流速會(huì)逐步增大而流體的壓力會(huì)逐步減??；流體在圓柱體的后部流速會(huì)逐步減小而流體的壓力會(huì)逐步增大。但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的前部會(huì)形成流動(dòng)邊界層，速度會(huì)從勢流流速逐步改變到壁面上的零速度，這種速度改變是以消耗流體動(dòng)量為代價(jià)的，這樣的過程特征一直會(huì)保持到勢流流速達(dá)到最大值。在其后的增壓減速過程中，流體中由壓力轉(zhuǎn)變來的動(dòng)量會(huì)逐步地再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌龅膲毫?，此時(shí)近壁流體不但會(huì)因動(dòng)量的耗散而沒有足夠的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為壓力，而且和會(huì)在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動(dòng)，從而導(dǎo)致流體在邊界層發(fā)生分離。流體外掠一切非流線型物體時(shí)，都會(huì)發(fā)生邊界層分離。例如汽車行駛時(shí)，車后往往有回流和漩渦，會(huì)揚(yáng)起灰塵，因此汽車后面的玻璃是固定的。實(shí)際上，由于邊界層的發(fā)展，勢流區(qū)的外形已經(jīng)不是圓形，因而使流動(dòng)的增壓減速過程提前，也就使流動(dòng)分離位置提前。如果流體在分離之前流動(dòng)邊界層已經(jīng)從層流發(fā)展到紊流，由于紊流邊界層中紊流動(dòng)量交換的加強(qiáng)，從而使邊界層流動(dòng)的分離向后推移。觀測給出，繞流圓柱的流動(dòng)當(dāng)Re105時(shí)流動(dòng)分離點(diǎn)在處。這里定義的雷諾數(shù)為，式中，u為來流速度，d為圓柱體外直徑。1 、 流動(dòng)邊界層的形成與發(fā)展 Re10 蠕動(dòng)流 Re 1.5 10 5 層流 脫體現(xiàn)象 尾跡流 Re 1.5 10 5 層流 紊流 脫體現(xiàn)象 尾跡流 脫體現(xiàn)象： 流體的壓強(qiáng)在管的前半部遞降，而后又趨回升。與壓強(qiáng)的變化相應(yīng)，主流速度則先逐漸增加，面后又逐漸降低。特別要注意的是在壓強(qiáng)增大的區(qū)域內(nèi)，流體需靠本身的動(dòng)能來克服壓強(qiáng)的增長才能向前流動(dòng)，而靠近壁面的流體由于粘滯力的影響速度比較低，相應(yīng)的動(dòng)能也較小，其結(jié)果是從壁面的某一位置開始速度梯度達(dá)到 0 壁面流體停止向前流動(dòng)，并隨即向相反的方向流動(dòng)。以致從 0 點(diǎn)開始壁面流體停止向前流動(dòng)，并隨即向相反的方向流動(dòng)，該點(diǎn)稱為繞流脫體的起點(diǎn) ( 或稱分離點(diǎn) ) 。 2 、換熱特征 這樣一種流場的流動(dòng)特征必然會(huì)影響到流場的換熱性能。圖422給出了繞流圓柱體的換熱系數(shù)沿著圓柱體壁面變化的情況。在圓柱體的前端處換熱系數(shù)最大，而在分離點(diǎn)處換熱系數(shù)最?。蝗绻谶吔鐚訌膶恿髯?yōu)槲闪?，那么轉(zhuǎn)變點(diǎn)處有一個(gè)換熱系數(shù)的最低點(diǎn)，紊流邊界層的分離點(diǎn)是另一個(gè)換熱系數(shù)的最低點(diǎn)。從中不難看出，沿著圓柱體表面的換熱系數(shù)是變化的，且變化較為劇烈?？傮w而言，換熱性能在分離點(diǎn)前要比分離點(diǎn)后要好。換熱性能的變化會(huì)在等熱流加熱的情況下引起圓柱體表面的溫度變化，而這種變化在高溫下會(huì)造成圓柱體（或管壁）較大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響換熱設(shè)備的安全運(yùn)行。但是，對于工程上的大多數(shù)換熱問題，只需要了解其總的換熱性能，因而這里僅給出計(jì)算流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式。壁面邊界層流動(dòng)狀況，決定了換熱的特征。右圖為常熱流條件下圓管壁面局部換熱 Nu 的分布，曲線都表明，從管正面停滯點(diǎn) =0 o 開始，由于層流邊界層厚度的增加，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降。圖中 Re 最低的兩個(gè)工況，它們在脫體點(diǎn)前一直保持層流，在脫體點(diǎn)附近出現(xiàn) Nu的最低值。隨后因脫體區(qū)渦旋的混亂運(yùn)動(dòng)， Nu趨回升。圖中 Re 較高的其他工況在壁面邊界層發(fā)生脫體時(shí)已是紊流，Nu曲線出現(xiàn)了兩次低谷，第一次相當(dāng)于層流到紊流的轉(zhuǎn)變區(qū)，另一次則發(fā)生在紊流邊界層與壁脫離的地方。圖中數(shù)據(jù)表明在高 Re 情況下，脫體點(diǎn)可能推遲到 =140 0 。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最低的地方，換熱最差。 常用的準(zhǔn)則關(guān)系式的形式為： 式中，準(zhǔn)則的特征流速為通道來流速度，特征尺寸為圓柱體外直徑d；定性溫度為壁面和來流速度的平均值。四、外掠管束對流換熱 外掠管束在換熱器中最為常見。管束（長圓柱體束）是由多根長管（長圓柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成，常常是熱交換設(shè)備的組件，工程上使用管束要比使用單管為多。管束的排列方式很多，最常見的有順排和叉排兩種。不管哪一種排列方式，流動(dòng)情況都比單管時(shí)要復(fù)雜，這是因?yàn)楣茏又g相對緊密的排列造成各自流場間的相互影響，從而也就影響到流體與管壁之間的換熱。流體流過順排或叉排管束的第一排管面時(shí)的流動(dòng)和換熱情況與流過單管的情形是相似的。但從第二排開始，順排時(shí)管子的前后都處于前一排管的回流區(qū)中，流動(dòng)和換熱不同于第一排管；對于叉排排列，盡管從第二排管以后，流動(dòng)情況與單管時(shí)看似相同，但由于前排造成的流場擾動(dòng)會(huì)使流動(dòng)和換熱情形差別較大。這些都導(dǎo)致后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排管以后各排管之間的流動(dòng)換熱特征就沒有多少差異了。但是前幾排管換熱性能上的差異，對于整個(gè)管束換熱性能的影響， ddS1S1S2S2umaxuutt(1)叉排管束(2)順排管束流體繞流管束時(shí)的流動(dòng)特征及幾何尺寸示意圖會(huì)隨著管排數(shù)的增加而減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管排數(shù)超過10排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并難于清洗。影響管束換熱的因素除Re、Pr數(shù)外，還有：排列方式，叉排或順排；管間距；管束排數(shù)等特殊因素。 1 、 流動(dòng)邊界層 層流： Re2 10 5 。 如圖所示，順排和叉排中流體的擾動(dòng)強(qiáng)度是不同的，順排弱于叉排；管間距不同擾動(dòng)強(qiáng)度也不同；另外除第排管子保持了外掠單管的特征外，從第二排起流動(dòng)將被前幾排管子引起的渦旋所干擾，流動(dòng)狀況比較復(fù)雜。 2 、換熱特征 一般而言，順排換熱弱于叉排；因前排引起的擾動(dòng)加強(qiáng)了后排的換熱，所以各排的換熱將逐排增大，直到 20 排左右這種影響才消失。 一般而言，在相同的條件下，叉排情況下的換熱系數(shù)要比順排大，而相應(yīng)的流動(dòng)阻力也比順排時(shí)大。如果綜合考慮換熱性能和流動(dòng)特性兩種排列方式是相差不大的，關(guān)鍵是選擇合理的使用范圍。因此，在采用什么排列方式時(shí)除了實(shí)際的運(yùn)行要求之外，還要通過可用能損失率分析來進(jìn)行兩種排列方式的流動(dòng)與換熱綜合性能的分析比較，最后獲得各種排列方式最佳的運(yùn)行參數(shù)和幾何尺寸。5-9自然對流換熱及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式重點(diǎn)內(nèi)容： 各類自然對流換熱現(xiàn)象流動(dòng)及換熱特征。 1 自然對流產(chǎn)生的原因 自然對流是流場溫度分布不均勻?qū)е碌拿芏炔痪鶆蚍植?，在重力場的作用下產(chǎn)生的流體運(yùn)動(dòng)過程。而自然對流換熱則是流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對流時(shí)發(fā)生的熱量交換過程。引起自然對流的浮升力實(shí)際上來自流體的密度梯度以及與該密度梯度成正比的體積力 ( 或稱為徹體力 ) 的聯(lián)合作用。在地球引力場范圍內(nèi)，最普遍存在的體積力是重力。當(dāng)然還可以是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的離心力、電磁場中的電磁力等。造成介質(zhì)密度梯度的原因也有多種，其中最主要的是溫度差。 在自然界、在現(xiàn)實(shí)生活中、以及在工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對流換熱的方式實(shí)現(xiàn)的。例如，在偏僻地區(qū)，一些平時(shí)無人看管的小變電站或電話中繼站等，其發(fā)熱設(shè)備往往靠自然對流冷卻。此外，管道、輸電線的散熱、電子器件的散熱、暖氣片對室內(nèi)空氣的散熱以及海洋環(huán)流、大氣環(huán)流等都與自然對流有關(guān)。由于自然對流換熱的換熱強(qiáng)度比較弱，尤其是在空氣環(huán)境下，同時(shí)還存在著輻射換熱，而且在溫度比較高的情況下，輻射換熱的強(qiáng)度與自然對流換熱的強(qiáng)度處于相同的數(shù)量級。因此，在自然對流換熱的實(shí)際計(jì)算中輻射換熱是不可隨意忽略的。2 自然對流換熱的分類 自然對流換熱問題常常按流體所處空間的特點(diǎn)分成兩大類：如果流體處于相對很大的空間，邊界層的發(fā)展不受限制和干擾，稱為無限空間的自然對流換熱；若流體空間相對狹小，邊界層無法自由展開，則稱為有限空間的自然對流換熱。 一、 無限空間自然對流換熱 流動(dòng)及換熱特征 ( 以豎壁為例 ) 1 、 流動(dòng)邊界層的形成與發(fā)展 如圖所示，考慮塊等溫豎板周圍空氣的自然對流運(yùn)動(dòng)。設(shè)板溫高于流體的溫度。板附近的流體被加熱因而密度降低 ( 與遠(yuǎn)處未受影響的流體相比 ) ，向上運(yùn)動(dòng)并在板表面形成一個(gè)很薄的邊界層。如果豎板足夠高，到一定位置也會(huì)從層流發(fā)展成為湍流邊界層。自然對流湍流時(shí)的換熱當(dāng)然也明顯強(qiáng)于層流。自然對流邊界層中的