傳熱學(xué) 華科 第五章

1、2021-6-241 3-3 一厚一厚10 mm的大平壁的大平壁(滿足集總參數(shù)分析滿足集總參數(shù)分析 法求解的條件法求解的條件)，初溫為，初溫為300，密度為，密度為7800 kg/m3，比熱容為，比熱容為0.47 kJ/(kg )，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù) 為為45 W/(m K)，一側(cè)有恒定熱流，一側(cè)有恒定熱流q = 100 W/m2流入，另一側(cè)與流入，另一側(cè)與20的空氣對流換熱，的空氣對流換熱， 換熱系數(shù)為換熱系數(shù)為70 W/(m2 K)。試求。試求3min后平壁的后平壁的 溫度。溫度。 解：解：根據(jù)能量守恒原理，有根據(jù)能量守恒原理，有 2021-6-242 對單位面積而言，其體積為對單位面積而

2、言，其體積為 )( tthAqA d dt cV 3 01. 0101mmmSAV )20(7010001. 01047. 07800 3 t d dt 代入其它參數(shù)，可得代入其它參數(shù)，可得 )7/150(7036660t d dt )7/150( 3666 7 t d dt 分離變量積分分離變量積分 2021-6-243 令令 0300 3666 7 7/150 )7/150( d t td t 3666 7 | )7/150ln( 300 t t 975.218180t 2021-6-244 第五章第五章 對流換熱計算對流換熱計算 5-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對流換熱計算內(nèi)流體受迫對流換

3、熱計算 5-2 流體外掠物體的對流換熱計算流體外掠物體的對流換熱計算 5-3 自然對流換熱計算自然對流換熱計算 5-4 液體沸騰換熱計算液體沸騰換熱計算 5-5 蒸汽凝結(jié)換熱計算蒸汽凝結(jié)換熱計算 2021-6-245 5-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對流換熱計算內(nèi)流體受迫對流換熱計算 1 管管(槽槽)內(nèi)流動換熱的特點內(nèi)流動換熱的特點 流體在管內(nèi)流動屬于內(nèi)部流動過程，其流體在管內(nèi)流動屬于內(nèi)部流動過程，其主要主要 特征是，流動存在著兩個明顯的流動區(qū)段，特征是，流動存在著兩個明顯的流動區(qū)段， 即即流動進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段流動進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段和和流動充分發(fā)展流動充分發(fā)展 區(qū)段區(qū)段 2021-6-246

4、進(jìn)口區(qū)：流動和熱邊界層從零開始增長，直到進(jìn)口區(qū)：流動和熱邊界層從零開始增長，直到 匯合至管子中心線。管子進(jìn)口到邊界層匯合處匯合至管子中心線。管子進(jìn)口到邊界層匯合處 的這段管長內(nèi)的流動稱為管內(nèi)流動進(jìn)口區(qū)的這段管長內(nèi)的流動稱為管內(nèi)流動進(jìn)口區(qū) 充分發(fā)展區(qū)：邊界層匯合于管子中心線以后的充分發(fā)展區(qū)：邊界層匯合于管子中心線以后的 區(qū)域，即進(jìn)入定型流動的區(qū)域。區(qū)域，即進(jìn)入定型流動的區(qū)域。 2021-6-247 如果邊界層在管中心處匯合時流體流動仍如果邊界層在管中心處匯合時流體流動仍 然保持層流，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后也就然保持層流，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后也就 繼續(xù)保持層流流動狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管繼續(xù)保持層流流動

5、狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管 內(nèi)層流流動過程。內(nèi)層流流動過程。 2021-6-248 如果邊界層在管中心處匯合時流體已經(jīng)從如果邊界層在管中心處匯合時流體已經(jīng)從 層流流動完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?，那么進(jìn)入層流流動完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?，那么進(jìn)入 充分發(fā)展區(qū)后就會維持紊流流動狀態(tài)，從充分發(fā)展區(qū)后就會維持紊流流動狀態(tài)，從 而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動過程。而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動過程。 紊流區(qū) 過渡區(qū)），（ 層流區(qū) 10Re 10 2200Re 2200Re 4 4 dum 2021-6-249 當(dāng)流體溫度和管壁溫度不同時，在管子的進(jìn)口當(dāng)流體溫度和管壁溫度不同時，在管子的進(jìn)口 區(qū)域同時也有熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管區(qū)域同時

6、也有熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管 內(nèi)深入，熱邊界層最后也會在管中心匯合，從內(nèi)深入，熱邊界層最后也會在管中心匯合，從 而進(jìn)入熱充分發(fā)展的流動換熱區(qū)域，在熱邊界而進(jìn)入熱充分發(fā)展的流動換熱區(qū)域，在熱邊界 層匯合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。層匯合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。 隨著流動從層流變?yōu)槲闪?，隨著流動從層流變?yōu)槲闪?，熱邊界層亦有層流熱邊界層亦有層?和紊流熱邊界層之分和紊流熱邊界層之分。 2021-6-2410 層流層流 管內(nèi)流動局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化管內(nèi)流動局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化 2021-6-2411 湍流湍流 管內(nèi)流動局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化（湍流）管內(nèi)流動局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化（湍流） 2

7、021-6-2412 流動進(jìn)口段：流動進(jìn)口段：50 : Re;06. 0 d L d L 紊流層流： 熱進(jìn)口段長度：熱進(jìn)口段長度： PrRe07. 0 Pr;Re055. 0 d L d L ww q t T t 層流： 50 : d L 紊流 2021-6-2413 熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。 對于管壁熱流為常數(shù)時，流體溫度隨流動方對于管壁熱流為常數(shù)時，流體溫度隨流動方 向線性變化，且與管壁之間的溫差保持不變，向線性變化，且與管壁之間的溫差保持不變， 有有 x t 入口段入口段充分發(fā)展段充分發(fā)展段 tf tw 恒熱流時恒熱流時 t=C ducxq

8、tt mpwff 4 c c A p A p f udAc utdAc t 管內(nèi)流體截面上的管內(nèi)流體截面上的 平均溫度平均溫度 流體進(jìn)口截流體進(jìn)口截 面平均溫度面平均溫度 2021-6-2414 x t tw = C tf 恒壁溫時恒壁溫時 當(dāng)管壁溫度為常數(shù)時，流當(dāng)管壁溫度為常數(shù)時，流 體的溫度隨流動方向按如體的溫度隨流動方向按如 下指數(shù)規(guī)律變化下指數(shù)規(guī)律變化 d x Sttttt wfwf 4exp)( 利用在整個管長內(nèi)的流動換熱平衡關(guān)系式利用在整個管長內(nèi)的流動換熱平衡關(guān)系式 2 (/4) pmffm dc utth dl t 可得出計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均溫差表達(dá)式可得出計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平

9、均溫差表達(dá)式 wf wf wfwf m tt tt tttt t ln 2021-6-2415 wfm ttt2/ )( fff ttt wf wf wfwf m tt tt tttt t ln 其中，其中，tf, tf”分別為出口、進(jìn)口截面上的平均分別為出口、進(jìn)口截面上的平均 溫度。溫度。 當(dāng)進(jìn)口與出口截面上的溫差比當(dāng)進(jìn)口與出口截面上的溫差比(tw - tf)/(tw - tf) 在在0.5 2之間時，可按如下算術(shù)平均溫差計算，之間時，可按如下算術(shù)平均溫差計算， 結(jié)果的差別在結(jié)果的差別在4%以內(nèi)。以內(nèi)。 2021-6-2416 2 管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式 管

10、內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 當(dāng)管內(nèi)流動的雷諾數(shù)當(dāng)管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re104時，管內(nèi)流體處于旺盛時，管內(nèi)流體處于旺盛 的紊流狀態(tài)。此時的換熱計算可采用迪圖斯的紊流狀態(tài)。此時的換熱計算可采用迪圖斯-貝爾特貝爾特 （Dittus-Boelter）準(zhǔn)則關(guān)系式）準(zhǔn)則關(guān)系式 n NuPrRe023. 0 8 . 0 特征流速為um 2021-6-2417 l當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時，因管截面當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時，因管截面 上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的 影響會發(fā)生改變，尤其是流體影響會發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變黏性隨溫度

11、的變 化化導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，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。進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。 液體被加熱或氣體被冷卻液體被加熱或氣體被冷卻 液體被冷卻或氣體被加熱液體被冷卻或氣體被加熱 恒定溫度的情況恒定溫度的情況 管內(nèi)流動溫度對速度分布的影響示意圖管內(nèi)流動溫度對速度分布的影響示意圖 2021-6-2418 因此，溫差較大情況下計算換熱時準(zhǔn)則式右邊因此，溫差較大情況下計算換熱時準(zhǔn)則式右邊 要乘以物性修正項要乘以物性修正項 。 對于液體乘以對于液體乘以 n wf 液體被加熱液體被加熱n=0.11，液體被冷卻，液體被冷卻n

12、=0.25(物性量物性量 的下標(biāo)表示取值的定性溫度的下標(biāo)表示取值的定性溫度) 對于氣體則乘以對于氣體則乘以: n wf TT 氣體被加熱氣體被加熱n=0.55，氣體被冷卻，氣體被冷卻n=0.0（此處（此處 溫度用大寫字符是表示取絕對溫標(biāo)下的數(shù)溫度用大寫字符是表示取絕對溫標(biāo)下的數(shù) 值）。值）。 2021-6-2419 彎曲管道流動情況示意圖彎曲管道流動情況示意圖 l彎曲的管道中流動的流體，在彎曲處由于彎曲的管道中流動的流體，在彎曲處由于 離心力的作用會形成垂直于流動方向的二次離心力的作用會形成垂直于流動方向的二次 流動，從而加強(qiáng)流體的擾動，帶來換熱的增流動，從而加強(qiáng)流體的擾動，帶來換熱的增 強(qiáng)。

13、強(qiáng)。 為什么工業(yè)上強(qiáng) 化換熱常常會采 用螺旋管？ 2021-6-2420 在平直管計算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個大于在平直管計算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個大于1的的 修正系數(shù)修正系數(shù) CR。 流體為氣體時流體為氣體時 ： CR1+1.77(d/R) 流體為液體時流體為液體時 ： CR1+10.3(d/R)3 R為彎曲管的曲率半徑為彎曲管的曲率半徑 l當(dāng)管子的長徑比當(dāng)管子的長徑比l/d60時，屬于短管內(nèi)流動時，屬于短管內(nèi)流動 換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時亦應(yīng)在換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時亦應(yīng)在 按照長管計算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修按照長管計算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修 正系數(shù)正系數(shù)Cl。 。圖 圖

14、5-5顯示了不同的入口條件對入顯示了不同的入口條件對入 口段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響口段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響 2021-6-2421 合理利用入口段效應(yīng)可以增強(qiáng)換熱合理利用入口段效應(yīng)可以增強(qiáng)換熱 2021-6-2422 2021-6-2423 2021-6-2424 管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 適用范圍適用范圍 ：Re0.6，RePr d/L10, 用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性溫度用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性溫度 與管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式相同。與管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式相同。 當(dāng)雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)Re2300時管內(nèi)流動處于層流狀態(tài)，時管內(nèi)流動處于層流狀態(tài)， 由于層流

15、時流體的進(jìn)口段比較長，因而管長由于層流時流體的進(jìn)口段比較長，因而管長 的影響通常直接從計算公式中體現(xiàn)出來。這的影響通常直接從計算公式中體現(xiàn)出來。這 里給出齊德泰特里給出齊德泰特Sieder-Tate的準(zhǔn)則關(guān)系式的準(zhǔn)則關(guān)系式： 14. 0 3 1 PrRe86. 1 w f l d Nu 2021-6-2425 管內(nèi)過渡流區(qū)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)過渡流區(qū)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 當(dāng)雷諾數(shù)處于當(dāng)雷諾數(shù)處于Re2300104的范圍內(nèi)時，管內(nèi)的范圍內(nèi)時，管內(nèi) 流動屬于層流到紊流的過渡流動狀態(tài)，流動流動屬于層流到紊流的過渡流動狀態(tài)，流動 十分不穩(wěn)定。工程上常常避免采用管內(nèi)過渡十分不穩(wěn)定。工程上常常避免采用管內(nèi)過渡 流

16、動區(qū)段。流動區(qū)段。 45. 0 3 2 4 . 08 . 0 1Pr100Re0214. 0 w f T T l d Nu 5 . 15 . 05 . 66 . 0Pr100002200Re w f T T ， 氣體氣體: 2021-6-2426 11. 0 3 2 4 . 087. 0 Pr Pr 1Pr280Re012. 0 w f l d Nu 2005. 0 Pr Pr 5005 . 1Pr100002300Re w f ， 液體液體: 2021-6-2427 增強(qiáng)換熱的方法增強(qiáng)換熱的方法 2021-6-2428 例例1 空氣以空氣以2m/s的速度在內(nèi)徑為的速度在內(nèi)徑為10 mm的管內(nèi)

17、流動，的管內(nèi)流動， 入口處空氣的溫度為入口處空氣的溫度為20，管壁溫度為，管壁溫度為120，試確，試確 定將空氣加熱至定將空氣加熱至60所需管子的長度。所需管子的長度。 解解 定性溫度為定性溫度為tf =(20+60)/2=40，查出空氣的物性，查出空氣的物性 參數(shù)為：參數(shù)為： =1.128 kg/m 3， ，cp=1.005 kJ/kg ， =2.76 10-2 W/m ， f=19.1 10-6 kg/m s，Pr=0.699。 而當(dāng)而當(dāng)tw =120時，查得時，查得 w =22.8 10-6 kg/m s。 雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re=1.18 10310 14. 0 3 1 PrRe86. 1

18、w f l d Nu 2021-6-2429 由能量平衡有由能量平衡有: )( 4 )( 2 ffPmfw ttc d uttdLh 代入數(shù)據(jù)得代入數(shù)據(jù)得hL=2.83 比較上述兩步得到的結(jié)果，有比較上述兩步得到的結(jié)果，有10.12L-1/3 L=2.83 ，最，最 后解得后解得L=0.148 m。由于。由于L0.825 m，前述假設(shè)是正，前述假設(shè)是正 確的。確的。 得得h=10.12L-1/3。 例題例題5-2 ，假設(shè)，求解，核對，重復(fù)計算，假設(shè)，求解，核對，重復(fù)計算 2021-6-2430 5-2 流體外掠物體的對流換熱計算流體外掠物體的對流換熱計算 1 流體平行流過平板時的換熱計算流體平

19、行流過平板時的換熱計算 層流流動層流流動 紊流流動紊流流動 0 xc qw x 流體流過平板換熱示意圖流體流過平板換熱示意圖 邊界層層流流動邊界層層流流動換換 熱可以通過熱可以通過邊界層邊界層 微分方程組的求解微分方程組的求解 獲得相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)獲得相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān) 系式系式 而而紊流問題紊流問題也可以通過求解也可以通過求解邊界層積分方程邊界層積分方程而而 得出相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式。得出相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式。 2021-6-2431 當(dāng)當(dāng)雷諾數(shù)雷諾數(shù) 時，流動邊界層為層時，流動邊界層為層 流流動流流動，其換熱計算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下：，其換熱計算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下： 5 105Re xu 局部換熱系數(shù)計算式局部換

20、熱系數(shù)計算式 3 1 5 . 0 PrRe332. 0 x Nu 平均換熱系數(shù)計算式平均換熱系數(shù)計算式 3 1 5 . 0 PrRe664. 0 x Nu 當(dāng)當(dāng)雷諾數(shù)雷諾數(shù) 時，流動邊界層時，流動邊界層 流動變?yōu)槲闪髁鲃恿鲃幼優(yōu)槲闪髁鲃?，如果將整個平板都視為，如果將整個平板都視為 紊流狀態(tài)，其換熱計算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下：紊流狀態(tài)，其換熱計算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下： 5 105Re xu 局部換熱系數(shù)計算式局部換熱系數(shù)計算式 3 1 80 PrRe029. 0 。 x Nu 平均換熱系數(shù)計算式平均換熱系數(shù)計算式 3 1 80 PrRe037. 0 。 x Nu 2021-6-2432 實際上流體流過平板

21、時都是逐步從層流過渡實際上流體流過平板時都是逐步從層流過渡 到紊流的，因而計算整個平板的換熱時，必到紊流的，因而計算整個平板的換熱時，必 須將前面一段按照層流計算，而后面一段按須將前面一段按照層流計算，而后面一段按 照紊流計算。于是綜合計算關(guān)系式應(yīng)為，照紊流計算。于是綜合計算關(guān)系式應(yīng)為， 3 1 8 . 08 . 05 . 0 PrReRe037. 0Re664. 0 c cxx x x Nu 以上準(zhǔn)則關(guān)系式中的無量綱準(zhǔn)則的特征尺以上準(zhǔn)則關(guān)系式中的無量綱準(zhǔn)則的特征尺 寸為寸為x，表示平板前沿的，表示平板前沿的x=0到平板到平板x處的距處的距 離，如果計算整個平板的換熱，則離，如果計算整個平板的

22、換熱，則特征尺特征尺 寸寸x=L；特征流速特征流速為為u；而；而定性溫度定性溫度為膜溫為膜溫 度度 2 ttt wm 2021-6-2433 例題例題:溫度溫度20的空氣，以的空氣，以10 m/s的速度流過平板，的速度流過平板， 分別確定從平板前緣算起，進(jìn)入過渡區(qū)（分別確定從平板前緣算起，進(jìn)入過渡區(qū)（Re1=2 105） 和進(jìn)入紊流區(qū)（和進(jìn)入紊流區(qū)（Re2=5 105）的距離。）的距離。 解解 查出查出20時空氣的運動粘度為時空氣的運動粘度為 =15.06 10-6 m2/s 假設(shè)進(jìn)入過渡區(qū)的距離為假設(shè)進(jìn)入過渡區(qū)的距離為L1， 由雷諾數(shù)由雷諾數(shù)Re1=uL1/ =2 105, 計算出計算出L1

23、=0.30m； 假設(shè)進(jìn)入紊流區(qū)的距離為假設(shè)進(jìn)入紊流區(qū)的距離為L2, 由雷諾數(shù)由雷諾數(shù)Re2= uL2/ =5 105, 計算出計算出L2=0.75m。 2021-6-2434 分離流動分離流動 速度分布速度分布 邊界層速度分布邊界層速度分布 u t t 流體繞流圓柱體流體繞流圓柱體 按照勢流理論，流體在按照勢流理論，流體在 圓柱體的前部流速會逐圓柱體的前部流速會逐 步增大而壓力會逐步減步增大而壓力會逐步減 小；流體在圓柱體的后小；流體在圓柱體的后 部流速會逐步減小而壓部流速會逐步減小而壓 力會逐步增大。力會逐步增大。 但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的

24、 前部會形成流動邊界層。當(dāng)壓力開始上升時，前部會形成流動邊界層。當(dāng)壓力開始上升時， 邊界層內(nèi)流體靠本身的動量克服壓力增長而邊界層內(nèi)流體靠本身的動量克服壓力增長而 向前流動，速度分布趨于平緩。向前流動，速度分布趨于平緩。 2 流體橫向掠過圓柱體流體橫向掠過圓柱體(單管單管)時的換熱計算時的換熱計算 2021-6-2435 近壁的流體層由于動量近壁的流體層由于動量 不大，在克服上升的壓不大，在克服上升的壓 力時顯得越來越困難，力時顯得越來越困難， 終于會在壁面處出現(xiàn)速終于會在壁面處出現(xiàn)速 度梯度為度梯度為0 0的局面。隨后的局面。隨后 產(chǎn)生與原流動方向相反產(chǎn)生與原流動方向相反 的回流。這一點稱為分

25、的回流。這一點稱為分 離點。從此點起邊界層離點。從此點起邊界層 內(nèi)緣脫離壁面，發(fā)生分內(nèi)緣脫離壁面，發(fā)生分 離現(xiàn)象。離現(xiàn)象。 分離流動分離流動 速度分布速度分布 邊界層速度分布邊界層速度分布 u t t 流體繞流圓柱體流體繞流圓柱體 2021-6-2436 2021-6-2437 繞流圓柱的分離現(xiàn)象的起點取決于雷諾數(shù)。繞流圓柱的分離現(xiàn)象的起點取決于雷諾數(shù)。 當(dāng)當(dāng)Re105時，邊界層在脫時，邊界層在脫 體前已轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，流動分離點推后到體前已轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，流動分離點推后到=140 處。處。 雷諾數(shù)為雷諾數(shù)為 ，式中，式中，u為來流速度，為來流速度， d為圓柱體外直徑。為圓柱體外直徑。 duRe 20

26、21-6-2438 圖為恒定熱流壁面局部圖為恒定熱流壁面局部 Nu隨角度隨角度的變化。這些的變化。這些 曲線在曲線在=080 左右的左右的 遞降，是由于層流邊界遞降，是由于層流邊界 層不斷增厚的原因。層不斷增厚的原因。 低低Re時，回升點反映了時，回升點反映了 繞流脫體的起點，這是繞流脫體的起點，這是 由于脫體區(qū)的擾動強(qiáng)化由于脫體區(qū)的擾動強(qiáng)化 了換熱。了換熱。 高高Re數(shù)時，第一次回升數(shù)時，第一次回升 是由于轉(zhuǎn)變?yōu)榱送牧鳎怯捎谵D(zhuǎn)變?yōu)榱送牧鳎?=140處的第二次回升處的第二次回升 是由于脫體的緣故。是由于脫體的緣故。 2021-6-2439 計算流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則計算流體繞流圓

27、柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則 關(guān)系式關(guān)系式 : 25. 0 Pr Pr PrRe w f mn cNu 準(zhǔn)則的準(zhǔn)則的特征流速特征流速為流體最小截面處的最大流為流體最小截面處的最大流 速速umax；特征尺寸特征尺寸為圓柱體外直徑為圓柱體外直徑d；定性溫定性溫 度度除除Prw按壁面溫按壁面溫tw取值之外皆用流體的平均取值之外皆用流體的平均 溫度溫度tf ； 0.25 Pr Pr f w 是在選用是在選用tf為定性溫度時考慮熱流方為定性溫度時考慮熱流方 向不同對換熱性能產(chǎn)生影響的一個修向不同對換熱性能產(chǎn)生影響的一個修 正系數(shù)。正系數(shù)。 2021-6-2440 如果流體流動方向與圓如果流體流動方向與圓 柱

28、體軸線的夾角（亦稱柱體軸線的夾角（亦稱 沖擊角）在沖擊角）在300900的的 范圍內(nèi)時，平均表面?zhèn)鞣秶鷥?nèi)時，平均表面?zhèn)?熱系數(shù)可按下式計算熱系數(shù)可按下式計算 氣流方向 管子方向 3 流體橫向流過管束的換熱流體橫向流過管束的換熱 管束（長圓柱體管束）是由多根長管（長圓管束（長圓柱體管束）是由多根長管（長圓 柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成的。柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成的。 2 90 cos54. 01 hh 2021-6-2441 管束的排列方式很多，最常見的有順排和叉排管束的排列方式很多，最常見的有順排和叉排 兩種兩種 dd S1 S1 S2 S2 umax u u t t (1)(

29、1)叉排管束叉排管束 (2)(2)順排管束順排管束 2021-6-2442 一般叉排時流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎一般叉排時流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎 曲通道中流動，擾動更劇烈，因而換熱比順曲通道中流動，擾動更劇烈，因而換熱比順 排更強(qiáng)。排更強(qiáng)。 順排則流動阻力小，易于清洗。順排則流動阻力小，易于清洗。 所以順排和叉排的選擇要全面權(quán)衡。所以順排和叉排的選擇要全面權(quán)衡。 后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排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換熱特征就沒有多管以后各排管之間的流動換熱特征就沒有多 少差異了。實驗結(jié)果表明，當(dāng)管排排數(shù)超過少差異了。實驗結(jié)果表明，當(dāng)管排排

30、數(shù)超過 10排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。 2021-6-2443 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) z w f p mn s s cNu 25. 0 2 1 Pr Pr PrRe 2021-6-2444 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) z w f p mn s s cNu 25. 0 2 1 Pr Pr PrRe 此公式亦考慮了管子排列和管排數(shù)目對換熱此公式亦考慮了管子排列和管排數(shù)目對換熱 的影響，的影響，z為管排數(shù)目的修正系數(shù)。為管排數(shù)目的修正系數(shù)。c、n、m 及及p的具體數(shù)值和空氣中的簡化計算式，均列的具體數(shù)值和空氣中的簡化計算式，均列 于表于表5

31、-2中。中。 2021-6-2445 如果流體流動的方向與管束不垂直，也就是流如果流體流動的方向與管束不垂直，也就是流 體對管子的沖擊角體對管子的沖擊角109時時，自然對流邊界層就會失去穩(wěn)定而，自然對流邊界層就會失去穩(wěn)定而 從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。 流體在大空間作自然對流換熱時，流體的冷流體在大空間作自然對流換熱時，流體的冷 卻過程與加熱過程互不影響。這類問題比較卻過程與加熱過程互不影響。這類問題比較 簡單，但總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式卻具有很大的實用簡單，但總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式卻具有很大的實用 意義，它可以應(yīng)用到更廣的范圍。因為在許意義，它可以應(yīng)用到更廣的范圍。因為在許 多實際問題

32、中，多實際問題中，雖然空間不大，但熱邊界層雖然空間不大，但熱邊界層 互不干擾互不干擾，即可當(dāng)作大空間問題處理。，即可當(dāng)作大空間問題處理。 2021-6-2455 3 大空間自然對流換熱計算大空間自然對流換熱計算 nGrcNuPr c、n值針對不同的自然對流換熱問題給出。值針對不同的自然對流換熱問題給出。 公式物性量取值的定性溫度為公式物性量取值的定性溫度為tm=(tw+t)/2，此公，此公 式僅用于壁面溫度保持常數(shù)，即式僅用于壁面溫度保持常數(shù)，即tw=const.。 對豎板或豎管（圓柱體），特征尺寸為板（管）對豎板或豎管（圓柱體），特征尺寸為板（管） 高，對水平放置圓管（圓柱體），特征尺寸為高

33、，對水平放置圓管（圓柱體），特征尺寸為 外直徑。外直徑。 2021-6-2456 4 受限空間自然對流換熱計算受限空間自然對流換熱計算 有些自然對流換熱過程受到固體表面的限制有些自然對流換熱過程受到固體表面的限制 而形成受限空間中的自然對流換熱。而形成受限空間中的自然對流換熱。 tw1 tw2 tw2 tw1 tw2 tw1 (1)(1)豎夾層豎夾層 (2)(2)水平夾層水平夾層 (3)(3)水平環(huán)縫水平環(huán)縫 2021-6-2457 恒壁溫條件下空氣在豎夾層的準(zhǔn)則關(guān)系式為：恒壁溫條件下空氣在豎夾層的準(zhǔn)則關(guān)系式為： 2000Gr1Nu 54 102106Gr 9 1 4 1 18. 0 h Gr

34、Nu 75 101 . 1102Gr 9 1 3 1 065. 0 h GrNu 公式中準(zhǔn)則的定性溫度為公式中準(zhǔn)則的定性溫度為 2/ 21wwm ttt 豎夾層豎夾層 2021-6-2458 水平夾層水平夾層 水平夾層中在恒壁溫情況下的空氣自然對流水平夾層中在恒壁溫情況下的空氣自然對流 換熱計算公式為：換熱計算公式為： 54 10410Gr 4/1 )(195. 0GrNu 5 104Gr 3/1 )(068. 0GrNu 公式中準(zhǔn)則的定性溫度為公式中準(zhǔn)則的定性溫度為 2/ 21wwm ttt 2021-6-2459 水平環(huán)縫水平環(huán)縫 1 25. 0 1 02. 0exp145. 02 . 0 d Gr d Nu 該公式適用于該公式適用于 1 /=0.552.65d 三、混合對流三、混合對流 2 3 tlg Gr 浮升力與粘性力之對比；浮升力與粘性力之對比； ul Re 慣性力與粘性力之對比。慣性力與粘性力之對比。而而對比參數(shù)對比參數(shù) 2 2 Re/ u tlg Gr 浮升力與慣性力之對比。一般認(rèn)為：浮升力與慣性力之對比。一般認(rèn)為： 101 . 0Re/ 2 Gr 時必須考慮混合對流；時必須考慮混合對流； 10Re/ 2 Gr時可只考慮自然對流；時可只考慮自然對流； 1