第十章強迫對流

1、Heat Transfer10-5 強迫對流換熱Forced Convection heat transfer 管內流動 Internal 外部流動 ExternalHeat Transfer 管內流動 換熱器的管側流體流動與換熱 輪機葉片內的冷卻流道內的流體流動與換熱 等 外部流動 換熱器的殼側流體流動與換熱 輪機葉片表面的流體流動與換熱 等Heat Transfer10-5-1 管內強迫對流換熱我們已掌握我們已掌握 邊界層理論, N-S方程組我們接下來要做什么我們接下來要做什么: 建立管內流動對流換熱特征數(shù)關聯(lián)式roHeat Transfer1、管內流動的流態(tài)、管內流動的流態(tài)層流：層流：過

2、渡區(qū)：過渡區(qū)：湍流：湍流：Re23002300Re1000010000ReHeat Transfer 2 2、 入口段與充分發(fā)展段入口段與充分發(fā)展段 流動入口段與充分發(fā)展段流動入口段與充分發(fā)展段 對于管內等溫層對于管內等溫層流，流動充分發(fā)展段流，流動充分發(fā)展段具有以下特征：具有以下特征： (a) (a) 沿軸向的速度不變，其它方向的速度為零；沿軸向的速度不變，其它方向的速度為零； (b) (b) 圓管橫截面上的速度分布為拋物線形分布；圓管橫截面上的速度分布為拋物線形分布； (c) (c) 沿流動方向的壓力梯度不變，阻力系數(shù)沿流動方向的壓力梯度不變，阻力系數(shù)f f 為常為常數(shù)數(shù) ll管長；管長；

3、d d管內管內徑徑 Re64f22udlfp/0.05RePrl d流動進口段長度：流動進口段長度：Heat Transfer 熱入口段與充分發(fā)展段熱入口段與充分發(fā)展段: 進口段邊界層沿進口段邊界層沿x方向由薄變厚，方向由薄變厚，hx由大變小，對流換由大變小，對流換熱逐漸減弱。熱逐漸減弱。 入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比 充分發(fā)展段高。充分發(fā)展段高。 熱入口段長度熱入口段長度:/0.05 Re Prld/60ld層流層流湍流湍流Heat Transfer0fwwttttx.conshttttrxRrfww對于常物性流體，由上式可得對于常物性流體，由上式可得

4、hx為常數(shù)。這一結論對為常數(shù)。這一結論對于管內層流和湍流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用于管內層流和湍流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用Heat Transfer邊界條件邊界條件:1、第一類：常壁溫、第一類：常壁溫 2、第二類：常熱流、第二類：常熱流Heat Transfer 牛頓冷卻公式中牛頓冷卻公式中 tf流體特征溫度流體特征溫度 對常熱流邊界條件對常熱流邊界條件 平均溫差平均溫差: (1) 對長管（入口段可忽略）的充分發(fā)展段，采用管子對長管（入口段可忽略）的充分發(fā)展段，采用管子出口處流體溫差出口處流體溫差 (2) 對于短管，入口段不可忽略，可近似取進出口溫差對于短管，入口段不可忽略，可近似取

5、進出口溫差的算術平均值的算術平均值)(thtthqfw)(21fffttt)(21tttHeat Transfer 對常壁溫條件對常壁溫條件 lnttttt入口入口出口出口對數(shù)平均溫差對數(shù)平均溫差Heat Transfer管內層流管內層流充分發(fā)展段充分發(fā)展段的對流換熱系數(shù)的對流換熱系數(shù)Heat Transfer續(xù)表續(xù)表Heat Transfer Heat Transfer 定性溫度為流體的平均溫度定性溫度為流體的平均溫度 （ 要按壁面溫度要按壁面溫度 查取查取 ），定性長度為管子內徑，應用于常壁溫的條件），定性長度為管子內徑，應用于常壁溫的條件應用條件應用條件，0.0044 9.75fw。0.

6、141 / 3RePr2/fffwldPr0.48 16700,fftwwt管內層流管內層流 入口段入口段Sieder-Tate equation 齊德泰特公式齊德泰特公式:0.141 / 3RePr1.86/ffffwNuldHeat Transfer 管內湍流換熱管內湍流換熱 Dittus-boelter equation 迪貝斯貝爾特公式：迪貝斯貝爾特公式： 加熱加熱 ， 冷卻冷卻 。定性溫度為流體的平均溫度定性溫度為流體的平均溫度 ，定性長度為管子內徑，用于常定性長度為管子內徑，用于常壁溫的條件壁溫的條件應用條件應用條件 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合此式適用與流體與壁面具有

7、中等以下溫差場合。0.80.023 RePrnfffNu 0.4n 0.3nft45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f。/60ldHeat Transfer對于溫差相差較大的情況對于溫差相差較大的情況:（1） Dittus-boelter 修正式修正式加熱氣體，加熱氣體，冷卻氣體，冷卻氣體，液體液體:0.80.023 RePrnffftNuc0.5ftwTcT 。1tcmftwc0.11m0.25m加熱加熱冷卻冷卻Heat Transfer（2 2）Sieder-Tate Sieder-Tate 公式：公式： 應用條件應用條件0.140.81 / 30.027 RePrffffw

8、Nu，/60l dPr0.7 16700,f。4Re10fHeat Transfer（3 3）米海耶夫公式：）米海耶夫公式： 0.250.80.43Pr0.021 RePrPrffffwNu，/50l dPr0.6 700,f。46Re10 1.7510fHeat Transfer 由于流體溫度不均勻帶來的管內速度分布的畸變由于流體溫度不均勻帶來的管內速度分布的畸變 修正系數(shù)修正系數(shù)或（(/)Pr / Pr )nnfwfwHeat Transfer 如果管內流道為非圓形，如果管內流道為非圓形，當量直徑當量直徑 Hydraulic diameter Ac 為流道截面面積為流道截面面積. P 為流

9、體濕潤周邊長度為流體濕潤周邊長度. 4ceAdPHeat Transfer 11.77rdcR3110.3rdcR 彎管彎管強化換熱強化換熱 液體液體 氣體氣體入口入口, Entrance region for edge entrance 0.71ldclHeat Transfer當當 Pr0.6 對流換熱系數(shù)特征數(shù)關聯(lián)式對流換熱系數(shù)特征數(shù)關聯(lián)式 熱邊界層厚度熱邊界層厚度對于第二類邊界對于第二類邊界.averageNuhlNulocalxhNuxxxx31213121PrRe664. 02PrRe332. 0averagehlNulocalxhNuxxx31213121PrRe680. 0Pr

10、Re453. 031PrtHeat Transfer當當 l xc ，為層流和湍流并存的情況，為層流和湍流并存的情況：平均對流換熱系數(shù)平均對流換熱系數(shù)hm :dxxudxxulhlxxmcc3154021210296. 0332. 031545421Pr)Re(Re037. 0Re664. 0ccmNu臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù) ，則，則5105Rec3154Pr871Re037. 0mNu113241530.332Re Pr0.0296Re PrcxcxxxNuxxNu時，層流，時，湍流，Heat Transfer2、外掠圓管和管束、外掠圓管和管束壓力降低壓力降低0 xP壓力升高壓力升高0 xP駐

11、點駐點脫體點脫體點尾跡尾跡Heat Transfer 邊界層過渡邊界層過渡 湍流時，邊界層內流體動量更大，脫體擾動也更強烈湍流時，邊界層內流體動量更大，脫體擾動也更強烈5102 . 1Re5102 . 1ReHeat Transfer外掠單管時的對流換熱外掠單管時的對流換熱 對流換熱系數(shù)特征數(shù)關聯(lián)式由試驗得到對流換熱系數(shù)特征數(shù)關聯(lián)式由試驗得到局部局部NuHeat Transfer平均平均NuHeat Transfer 通常，我們關心的是在整個表面的通常，我們關心的是在整個表面的平均平均Nu Zhukauskas 公式公式 定性溫度：主流區(qū)溫度定性溫度：主流區(qū)溫度t, Prw ：壁溫下查?。罕跍?/p>

12、下查取. C, n 表表10-2 m：Pr10，m=0.36; Pr10,m=0.3764110Re1500Pr7 . 0 :for Valid PrPr Pr Re ffwfmfnffCDhNuHeat Transfer或或, ,式中：式中：C C及及n n的值見下表；定性溫度為的值見下表；定性溫度為特征長度為管外徑；特征長度為管外徑； 數(shù)的特征速度為來流速度數(shù)的特征速度為來流速度實驗驗證范圍：實驗驗證范圍： ， 。1 / 3RePrnNuC()/ 2;wttRe。u15.5 982t 21 1046wtHeat Transfer對非圓柱物體對非圓柱物體Heat Transfer 上述公式對

13、于實驗數(shù)據一般需要分段整理。上述公式對于實驗數(shù)據一般需要分段整理。 邱吉爾與朋斯登對流體橫向外掠單管提出了以下在整邱吉爾與朋斯登對流體橫向外掠單管提出了以下在整個實驗范圍內都能適用的準則式。個實驗范圍內都能適用的準則式。 式中：定性溫度為式中：定性溫度為 適用于適用于 的情形。的情形。4/55/81/21/32/3 1/40.62RePrRe0.312820001(0.4/Pr)Nu()/ 2,wttRe Pr0.2Heat Transfer外掠管束的對流換熱外掠管束的對流換熱 通常為交叉流通常為交叉流 管束排列可分為順排和叉排管束排列可分為順排和叉排 描述管束排布的參數(shù)包括：管子直徑描述管束排布的參數(shù)包括：管子直徑D, 橫向間距橫向間距S1，縱，縱向間距向間距S2 Heat TransfernwffmffCNu25. 036. 0PrPrPrRe0.6r500102Re1 :6P適用于C, m表表10-3n表表 10-4定性溫度：管束進出口流體平均溫度定性溫度：管束進出口流體平均溫度Heat Transfer 例題：在一鍋爐中，煙氣橫掠例題：在一鍋爐中，煙氣橫掠4排管組成的順管束，已知排管組成的順管束，已知管外徑管外徑d60mm，s1/d=2, s2/d=2, 煙氣平均溫度煙氣平均溫度tf=600,tw=120.