傳熱學(xué)-第六章xin教材

1、第六章 第六章1第六章第六章 單相流體對(duì)流換熱單相流體對(duì)流換熱第六章 21管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 1. 流動(dòng)有層流和紊流之分流動(dòng)有層流和紊流之分v層流：層流：v過渡區(qū)：過渡區(qū)：v旺盛湍流：旺盛湍流：Re23002300Re1000010000Re6-1 6-1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱管內(nèi)受迫對(duì)流換熱第六章 32.流動(dòng)進(jìn)口段與充分發(fā)展段流動(dòng)進(jìn)口段與充分發(fā)展段層流層流紊流紊流（1）進(jìn)口段：）進(jìn)口段：流動(dòng)和熱邊界層從零開始增長(zhǎng)，直到匯合于流動(dòng)和熱邊界層從零開始增長(zhǎng)，直到匯合于管子中心線，管子進(jìn)口至邊界層匯合處的這段區(qū)域。管子中心線，管子進(jìn)口至邊界層匯合處的這段區(qū)域。 充分

2、發(fā)展段：充分發(fā)展段：邊界層匯合于管子中心線以后的區(qū)域。邊界層匯合于管子中心線以后的區(qū)域。第六章 4（2）管內(nèi)層流流動(dòng)：）管內(nèi)層流流動(dòng)：如果在管中心匯合處流體流動(dòng)仍為層如果在管中心匯合處流體流動(dòng)仍為層流，進(jìn)入充分發(fā)展段后繼續(xù)保持層流。流，進(jìn)入充分發(fā)展段后繼續(xù)保持層流。 管內(nèi)紊流流動(dòng)：管內(nèi)紊流流動(dòng)：如果邊界層在管中心匯合處流體流動(dòng)為紊如果邊界層在管中心匯合處流體流動(dòng)為紊流，進(jìn)入充分發(fā)展段后仍保持紊流。流，進(jìn)入充分發(fā)展段后仍保持紊流。（3）對(duì)于管內(nèi)等溫層流，流動(dòng)充分發(fā)展段特征：）對(duì)于管內(nèi)等溫層流，流動(dòng)充分發(fā)展段特征：(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；

3、(b) 圓管橫截面上的速度分布為拋物線分布；圓管橫截面上的速度分布為拋物線分布；2m0( )2 1u rrur(c) 沿流動(dòng)方向的壓力梯度不變，摩擦系數(shù)沿流動(dòng)方向的壓力梯度不變，摩擦系數(shù)f 為常數(shù)：為常數(shù)： 第六章 564fRe管流壓降（流動(dòng)阻力）：管流壓降（流動(dòng)阻力）：（d）層流入口段的長(zhǎng)度：）層流入口段的長(zhǎng)度：2m2lupfd Re05. 0/dl（a）充分發(fā)展紊流的速度分布為冪指數(shù)；）充分發(fā)展紊流的速度分布為冪指數(shù)；（b）光滑管內(nèi)紊流的摩擦系數(shù)：）光滑管內(nèi)紊流的摩擦系數(shù)：1/440.3162 10ddfReRe260.790ln1.6430005 10ddfReRe （c）紊流入口段的長(zhǎng)

4、度：）紊流入口段的長(zhǎng)度：（4）紊流流動(dòng)充分發(fā)展段特征：）紊流流動(dòng)充分發(fā)展段特征：60/10dl第六章 63.熱進(jìn)口段與充分發(fā)展段熱進(jìn)口段與充分發(fā)展段（1）熱充分發(fā)展段：）熱充分發(fā)展段：無量綱過余溫度隨管長(zhǎng)保持不變。僅無量綱過余溫度隨管長(zhǎng)保持不變。僅是是r的函數(shù)。的函數(shù)。wmw( , )( )0( )( )t r xtxxtxtx 分別為管壁溫度與流體截面平均溫度。分別為管壁溫度與流體截面平均溫度。wmtt、在壁面處，根據(jù)上式可得在壁面處，根據(jù)上式可得00wmwwm(/)( , )( )( )( )r rr rtrt r xtxrtxtxtt 常數(shù)常數(shù)第六章 7常數(shù)（不隨常數(shù)（不隨x變化）變化）

5、對(duì)于常物性流體，由上式可得對(duì)于常物性流體，由上式可得 常數(shù)。這一結(jié)論對(duì)于管內(nèi)層常數(shù)。這一結(jié)論對(duì)于管內(nèi)層流和紊流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用。流和紊流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用。xh 0wm(/)r rxtrhtt 第六章 8從熱進(jìn)口段到熱充分發(fā)展段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化從熱進(jìn)口段到熱充分發(fā)展段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化 進(jìn)口段邊界層沿進(jìn)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(duì)流換熱逐漸由大變小，對(duì)流換熱逐漸減弱。減弱。第六章 9對(duì)于管內(nèi)層流，熱進(jìn)口段長(zhǎng)度為：對(duì)于管內(nèi)層流，熱進(jìn)口段長(zhǎng)度為：對(duì)比流動(dòng)進(jìn)口段長(zhǎng)度對(duì)比流動(dòng)進(jìn)口段長(zhǎng)度（2）熱進(jìn)口段長(zhǎng)度）熱進(jìn)口段長(zhǎng)度 由于進(jìn)口段的局部表

6、面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，所以對(duì)于短管內(nèi)的由于進(jìn)口段的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，所以對(duì)于短管內(nèi)的對(duì)流換熱，需要考慮進(jìn)口段的影響。對(duì)于管內(nèi)層流換熱，只要對(duì)流換熱，需要考慮進(jìn)口段的影響。對(duì)于管內(nèi)層流換熱，只要 l/d 60，就可忽略進(jìn)口段的影響。對(duì)于管內(nèi)紊流換熱，一些文，就可忽略進(jìn)口段的影響。對(duì)于管內(nèi)紊流換熱，一些文獻(xiàn)認(rèn)為只要獻(xiàn)認(rèn)為只要 l/d 10，就可忽略進(jìn)口段的影響。，就可忽略進(jìn)口段的影響?？梢?，當(dāng)可見，當(dāng)Pr=1時(shí)，熱進(jìn)口段長(zhǎng)度與流動(dòng)進(jìn)口段長(zhǎng)度相等。時(shí)，熱進(jìn)口段長(zhǎng)度與流動(dòng)進(jìn)口段長(zhǎng)度相等。PrRe05. 0/dlRe05. 0/dl第六章 103. 3. 特征速度及定性溫度的確定特征速度及定性溫度的確定

7、特征速度特征速度一般多取截面平均流速。一般多取截面平均流速。 定性溫度定性溫度多為管斷面流體的平均溫度（或進(jìn)出口截面多為管斷面流體的平均溫度（或進(jìn)出口截面平均溫度，即全管長(zhǎng)流體平均溫度）。平均溫度，即全管長(zhǎng)流體平均溫度）。4. 4. 牛頓冷卻公式中的平均溫差牛頓冷卻公式中的平均溫差 對(duì)對(duì)常熱流常熱流條件，可取條件，可取 作為作為 。 對(duì)于對(duì)于常壁溫常壁溫條件，截面上的局部溫差是個(gè)變值，應(yīng)利條件，截面上的局部溫差是個(gè)變值，應(yīng)利用熱平衡式：用熱平衡式：()wfttmt第六章 11 式中，式中， 為質(zhì)量流量；為質(zhì)量流量； 分別為出口、進(jìn)口截面上分別為出口、進(jìn)口截面上 的平均溫度；的平均溫度； 按對(duì)數(shù)

8、平均溫差計(jì)算：按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算：()mmmpffh A tq c ttmq、ffttmtlnffmwfwfttttttt第六章 125. 管內(nèi)流體平均速度及平均溫度管內(nèi)流體平均速度及平均溫度管內(nèi)流體平均溫度：管內(nèi)流體平均溫度：0ccm200m( , )( , )2( , )rAAcu r xt r x dAtturdrr ucu r x dA牛頓冷卻公式：牛頓冷卻公式：wm( )( )xxxxqhtxtxhtwfm()A httA ht 平均：平均：局部：局部： 一般情況下，在管內(nèi)對(duì)流換熱過程中，管壁溫度和流體溫度一般情況下，在管內(nèi)對(duì)流換熱過程中，管壁溫度和流體溫度都沿流動(dòng)方向發(fā)生變化，變化

9、規(guī)律與邊界條件有關(guān)。都沿流動(dòng)方向發(fā)生變化，變化規(guī)律與邊界條件有關(guān)。第六章 13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。 紊流：紊流：除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計(jì)；除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計(jì)； 層流：層流：兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯。兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯。第六章 14（1）常熱流邊界條件）常熱流邊界條件 qx常數(shù)，根據(jù)熱平衡，常數(shù)，根據(jù)熱平衡，流體截面平均溫度流體截面平均溫度tm沿流動(dòng)沿流動(dòng)方向一定線性變化。方向一定線性變化。 xxxqht根據(jù)根據(jù)熱進(jìn)口段熱進(jìn)口段,xxht 熱充分發(fā)展段：熱充分發(fā)展段： hx常數(shù)，常數(shù)， tx 常數(shù)

10、，壁面溫度常數(shù)，壁面溫度tw和和tm都沿流動(dòng)方向線性變化。都沿流動(dòng)方向線性變化。 第六章 15（2）常壁溫邊界條件：）常壁溫邊界條件：tw=常數(shù)常數(shù) 分析結(jié)果表明，溫差分析結(jié)果表明，溫差 tx沿沿x方向方向按指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化，按指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化，tm也按同也按同樣的指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化。樣的指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化。 無論對(duì)于常熱流還是等壁溫邊界無論對(duì)于常熱流還是等壁溫邊界條件，全管的平均換熱溫差可按對(duì)條件，全管的平均換熱溫差可按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算，數(shù)平均溫差計(jì)算， lnttttt 如果進(jìn)口溫差與出口溫差相差不大，如果進(jìn)口溫差與出口溫差相差不大，0.5/2tt12ttt 結(jié)果與上式偏差小于結(jié)果與上式偏差小于

11、4% 。第六章 16 6.物性場(chǎng)不均勻?qū)軆?nèi)對(duì)流換熱的影響物性場(chǎng)不均勻?qū)軆?nèi)對(duì)流換熱的影響 換熱時(shí)流體溫度場(chǎng)不均勻，會(huì)引起物性場(chǎng)的不均勻。其換熱時(shí)流體溫度場(chǎng)不均勻，會(huì)引起物性場(chǎng)的不均勻。其中粘度隨溫度的變化最大。粘度場(chǎng)的不均勻會(huì)影響速度場(chǎng)，中粘度隨溫度的變化最大。粘度場(chǎng)的不均勻會(huì)影響速度場(chǎng)，因此影響對(duì)流換熱。因此影響對(duì)流換熱。第六章 17二二. . 管內(nèi)紊流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式管內(nèi)紊流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 實(shí)用上使用最廣的是迪圖斯貝爾特公式：實(shí)用上使用最廣的是迪圖斯貝爾特公式： 加熱流體時(shí)加熱流體時(shí) ， 冷卻流體時(shí)冷卻流體時(shí) 。 式中式中: : 定性溫度采用流體平均溫度定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長(zhǎng)度

12、為，特征長(zhǎng)度為 管內(nèi)徑。管內(nèi)徑。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合。0.80.023 RePrnfffNu 0.4n 0.3nft45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f。/60ld 對(duì)于流體與管壁溫度相差不大的情況（氣體：對(duì)于流體與管壁溫度相差不大的情況（氣體： t50；水；水: t30；油；油: t10）第六章 18v實(shí)際上來說，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生實(shí)際上來說，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變?；?。v一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù) 來考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的

13、影響。來考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。或（(/)Pr / Pr )nnfwfw第六章 19大溫差情形，可采用下列任何一式計(jì)算。大溫差情形，可采用下列任何一式計(jì)算。（1 1）迪圖斯貝爾特修正公式）迪圖斯貝爾特修正公式對(duì)氣體被加熱時(shí)，對(duì)氣體被加熱時(shí)，當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，對(duì)液體對(duì)液體0.80.023 RePrnffftNuc0.5ftwTcT 。1tcmftwc0.11m0.25m液體受熱時(shí)液體受熱時(shí)液體被冷卻時(shí)液體被冷卻時(shí)第六章 20（2 2）采用齊德泰特公式：）采用齊德泰特公式： 定性溫度為流體平均溫度定性溫度為流體平均溫度 （ 按壁溫按壁溫 確確 定），管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度。定），管內(nèi)

14、徑為特征長(zhǎng)度。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：0.140.81 / 30.027 RePrffffwNuft，/60l dPr0.7 16700,f。4Re10fwtw第六章 21（3 3）采用米海耶夫公式：）采用米海耶夫公式： 定性溫度為流體平均溫度定性溫度為流體平均溫度 ，管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度。，管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：0.250.80.43Pr0.021 RePrPrffffwNuft，/50l dPr0.6 700,f。46Re10 1.7510f第六章 22上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。（1 1）非圓形截面槽道）非圓

15、形截面槽道 用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。 式中：式中： 為槽道的流動(dòng)截面積；為槽道的流動(dòng)截面積；P P 為濕周長(zhǎng)。為濕周長(zhǎng)。 注：對(duì)截面上出現(xiàn)尖角的流動(dòng)區(qū)域，采用當(dāng)量直徑的注：對(duì)截面上出現(xiàn)尖角的流動(dòng)區(qū)域，采用當(dāng)量直徑的 方法會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。方法會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。4ceAdPcA第六章 23 11.77rdcR3110.3rdcR（3 3）螺旋管）螺旋管 螺旋管螺旋管強(qiáng)化了換熱。對(duì)此有螺旋強(qiáng)化了換熱。對(duì)此有螺旋 管修正系數(shù)：管修正系數(shù)： 對(duì)于氣體對(duì)于氣體對(duì)于液體對(duì)于液體（2 2）入口段）入口段 入口段的傳熱系數(shù)較高。對(duì)于通常的工業(yè)

16、設(shè)備中的尖角入入口段的傳熱系數(shù)較高。對(duì)于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖角入 口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)：口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)：0.71ldcl第六章 24以上所有方程僅適用于以上所有方程僅適用于 的氣體或液體。的氣體或液體。對(duì)對(duì) 數(shù)很小的液態(tài)金屬，換熱規(guī)律完全不同。數(shù)很小的液態(tài)金屬，換熱規(guī)律完全不同。推薦光滑圓管內(nèi)充分發(fā)展紊流換熱的準(zhǔn)則式：推薦光滑圓管內(nèi)充分發(fā)展紊流換熱的準(zhǔn)則式：均勻熱流邊界均勻熱流邊界實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：均勻壁溫邊界均勻壁溫邊界實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：特征長(zhǎng)度為內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。特征長(zhǎng)度為內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。Pr0.6Pr0.8274.820.0

17、185ffNuPe35Re3.610 9.0510 ,f。2410 10fPe0.85.00.025ffNuPe。100fPe第六章 25 常物性流體在光滑管道內(nèi)充分發(fā)展的層流換熱的理論分析結(jié)常物性流體在光滑管道內(nèi)充分發(fā)展的層流換熱的理論分析結(jié)果果(沒考慮自然對(duì)流影響沒考慮自然對(duì)流影響)：ce4AdP當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑：Ac 流通截面面積流通截面面積P 潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度三三. . 管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式第六章 26常物性流體管內(nèi)充分發(fā)展的層流換熱具有以下特點(diǎn)：常物性流體管內(nèi)充分發(fā)展的層流換熱具有以下特點(diǎn)：(a) Nu的數(shù)值為常數(shù)，大小與的數(shù)值為常數(shù)，大小與Re無關(guān)；無關(guān)；

18、(b) 對(duì)于同一種截面的管道，常熱流邊界條件下的對(duì)于同一種截面的管道，常熱流邊界條件下的Nu比等比等壁溫邊界條件高壁溫邊界條件高20%左右。左右。 對(duì)于長(zhǎng)管，可以利用表中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于短管，進(jìn)對(duì)于長(zhǎng)管，可以利用表中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于短管，進(jìn)口段的影響不能忽略，實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時(shí)的換熱常口段的影響不能忽略，實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時(shí)的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德泰特公式。常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德泰特公式。第六章 27 定性溫度為流體平均溫度定性溫度為流體平均溫度 （ 按壁溫按壁溫 確定），管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度，管子處于均勻壁溫。確定），管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度，管子處于

19、均勻壁溫。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：，0.0044 9.75fw。0.141 / 3RePr2/fffwldPr0.48 16700,fftwwt0.141 / 3RePr1.86/ffffwNuld第六章 28 對(duì)于工業(yè)上常用的鑄造管以及為強(qiáng)化傳熱加工的內(nèi)螺紋管等，對(duì)于工業(yè)上常用的鑄造管以及為強(qiáng)化傳熱加工的內(nèi)螺紋管等，其湍流對(duì)流換熱要比一般光滑管道強(qiáng)，通常采用動(dòng)量傳遞與熱量其湍流對(duì)流換熱要比一般光滑管道強(qiáng)，通常采用動(dòng)量傳遞與熱量傳遞類比關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算：傳遞類比關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算：2/3ff8fStPrffffpNuhStRe PrC u阻力系數(shù)阻力系數(shù)f 數(shù)值可查閱有關(guān)工程手冊(cè)或流體力學(xué)

20、文獻(xiàn)。數(shù)值可查閱有關(guān)工程手冊(cè)或流體力學(xué)文獻(xiàn)。 四四. . 粗糙管壁換熱（類比律）粗糙管壁換熱（類比律）第六章 29 可以看出：可以看出：五五. . 綜合表達(dá)式綜合表達(dá)式trlnffCCCNuPrRe023. 08 . 0u、 影響最大；影響最大；、 pC 影響為正；影響為正； 影響為負(fù)；影響為負(fù)；),(4 . 08 . 04 . 06 . 02 . 08 . 0Cpdufh，第六章 306-2 6-2 外掠圓管對(duì)流換熱外掠圓管對(duì)流換熱 外部流動(dòng)：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)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。展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的

21、限制。 一一. . 外掠單管換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式外掠單管換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 外掠單管：外掠單管：流體沿著流體沿著 垂直于管子軸線的方垂直于管子軸線的方 向流過管子表面。流向流過管子表面。流 動(dòng)具有邊界層特征，動(dòng)具有邊界層特征， 還會(huì)發(fā)生繞流脫體。還會(huì)發(fā)生繞流脫體。第六章 31（1 1）來流方向前半周，流體壓力減小，加速流動(dòng)；后半）來流方向前半周，流體壓力減小，加速流動(dòng)；后半周，壓力增大，減速流動(dòng)；動(dòng)能克服壓強(qiáng)向前流動(dòng)，周，壓力增大，減速流動(dòng)；動(dòng)能克服壓強(qiáng)向前流動(dòng)，速度梯度逐漸減小。速度梯度逐漸減小。（2 2）脫體點(diǎn)：壁面流體停止向前流動(dòng)，自此以后邊界層）脫體點(diǎn)：壁面流體停止向前流動(dòng)，自此以后邊界層出現(xiàn)逆

22、向流動(dòng)，形成漩渦。出現(xiàn)逆向流動(dòng)，形成漩渦。 Re Re1010，無分離脫體現(xiàn)象；，無分離脫體現(xiàn)象； 5 Re 5 Re2 2105105，=80-85=80-85； 2 2105105ReRe，=140=140；dxduudxdp第六章 32 （3）邊界層的成長(zhǎng)和脫）邊界層的成長(zhǎng)和脫體決了外掠圓管換熱的體決了外掠圓管換熱的特征。特征。層流：下面兩條線，一次層流：下面兩條線，一次低谷，換熱差；低谷，換熱差；紊流：上面四條線，兩次紊流：上面四條線，兩次低谷，分別為層流轉(zhuǎn)變低谷，分別為層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱臀闪鬟吔鐚用摓槲闪骱臀闪鬟吔鐚用撾x壁面時(shí)。離壁面時(shí)。第六章 33 雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，

23、但從平均表面雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。第六章 34可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：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(zhǎng)度為管外徑；特征長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： ， 。1 / 3RePrnNuC()/ 2;wttRe。u15.5 982t 21 1046wt第六章 35 對(duì)于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對(duì)流換熱也對(duì)于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對(duì)流換熱也可采用上式?？刹捎蒙鲜?。 注：注

24、：指數(shù)指數(shù)C C及及n n值見下表，表中示出的幾何尺寸值見下表，表中示出的幾何尺寸 是計(jì)算是計(jì)算 數(shù)及數(shù)及 數(shù)時(shí)用的特征長(zhǎng)度。數(shù)時(shí)用的特征長(zhǎng)度。lReNu第六章 36 上述公式對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理。上述公式對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理。 邱吉爾與朋斯登對(duì)流體橫向外掠單管提出了以下在整邱吉爾與朋斯登對(duì)流體橫向外掠單管提出了以下在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式。個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)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 Pr0.2第

25、六章 37二二. . 外掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式外掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式v外掠管束在換熱器外掠管束在換熱器中最為常見。中最為常見。v通常管子有通常管子有叉排叉排和和順排順排兩種排列方式。兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)、阻力叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并難于清洗。損失大并難于清洗。影響管束換熱的因影響管束換熱的因素除素除 數(shù)外，數(shù)外，還有：叉排或順排；還有：叉排或順排；管間距；管束排數(shù)管間距；管束排數(shù)等。等。、RePr第六章 38氣體橫掠氣體橫掠1010排以上管束的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為排以上管束的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為 式中：定性溫度為式中：定性溫度為 特征長(zhǎng)度為特征長(zhǎng)度為管外徑管外徑d d， 數(shù)中的流速采用整個(gè)管束中最窄截面處數(shù)

26、中的流速采用整個(gè)管束中最窄截面處的流速。的流速。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： C C和和m m的值見下表。的值見下表。RemNuC()/2 ;rwftttRe。Re2000 40000f后排管受前排管尾流的擾動(dòng)作用對(duì)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影后排管受前排管尾流的擾動(dòng)作用對(duì)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到響直到1010排以上的管子才能消失。排以上的管子才能消失。這種情況下，先給出不考慮排數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式，再采用這種情況下，先給出不考慮排數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式，再采用管管束排數(shù)束排數(shù)的因素作為修正系數(shù)。的因素作為修正系數(shù)。第六章 39第六章 40 對(duì)于排數(shù)對(duì)于排數(shù)少于少于1010排排的管束，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可在上的管

27、束，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可在上式的基礎(chǔ)上乘以管排修正系數(shù)式的基礎(chǔ)上乘以管排修正系數(shù) 。 的值引列在下表。的值引列在下表。 nhhnn第六章 41 茹卡烏斯卡斯對(duì)流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在很茹卡烏斯卡斯對(duì)流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在很 寬的寬的 數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式。數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式。 式中：定性溫度為進(jìn)出口流體平均流速；式中：定性溫度為進(jìn)出口流體平均流速； 按管按管 束的平均壁溫確定；束的平均壁溫確定； 數(shù)中的流速取管束數(shù)中的流速取管束 中最小截面的平均流速；特征長(zhǎng)度為管子外中最小截面的平均流速；特征長(zhǎng)度為管子外 徑。徑。v實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：PrPrwRe。Pr0.

28、6 500第六章 42 v 第六章 436-3 6-3 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱 自然對(duì)流：自然對(duì)流：不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)的不均勻所引起的流動(dòng)。一般地，不均勻溫度溫度場(chǎng)的不均勻所引起的流動(dòng)。一般地，不均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。場(chǎng)僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。v有溫差并非一定會(huì)引起自然對(duì)流。有溫差并非一定會(huì)引起自然對(duì)流。v按流動(dòng)邊界層是否受干擾，可分為大空間和有限空間按流動(dòng)邊界層是否受干擾，可分為大空間和有限空間自然對(duì)流。自然對(duì)流。v按尺寸可分為：豎壁、水平管、水平板、豎直夾層、按尺寸可分為：豎壁、水平管、水平板、豎直夾

29、層、橫圓管等。橫圓管等。第六章 44 1.1.流動(dòng)與換熱特點(diǎn)：流動(dòng)與換熱特點(diǎn)：（1）沿?zé)岜谧匀粚?duì)流，開始為層流，達(dá)到某一高度轉(zhuǎn)變）沿?zé)岜谧匀粚?duì)流，開始為層流，達(dá)到某一高度轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。為紊流。?）速度分布：）速度分布：y=0及及y處，處，u=0u=0；邊界層內(nèi)有一峰值，；邊界層內(nèi)有一峰值，大約在大約在y=1/3y=1/3處。處。（3）溫度分布：邊界層內(nèi)逐漸減小，）溫度分布：邊界層內(nèi)逐漸減小，y 處為處為t tf f。（4 4）換熱特點(diǎn)：層流時(shí)，）換熱特點(diǎn)：層流時(shí)，hxhx隨厚度增加逐漸降低；紊流隨厚度增加逐漸降低；紊流時(shí)，時(shí)，hxhx保持不變。保持不變。一、大空間自然對(duì)流換熱（豎壁為例）一、大

30、空間自然對(duì)流換熱（豎壁為例）第六章 45第六章 46 波爾豪森分析波爾豪森分析解與施密特解與施密特貝克曼實(shí)測(cè)結(jié)貝克曼實(shí)測(cè)結(jié)果果第六章 47v自然對(duì)流亦有層流自然對(duì)流亦有層流和紊流之分。和紊流之分。v層流時(shí)，換熱熱阻層流時(shí)，換熱熱阻主要取決于薄層的主要取決于薄層的厚度。厚度。v旺盛紊流時(shí)，局部旺盛紊流時(shí)，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量。是常量。第六章 48 v從對(duì)流換熱微分方程組出發(fā)，可得到自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方從對(duì)流換熱微分方程組出發(fā)，可得到自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式程式v參照上圖的坐標(biāo)系，對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。參照上圖的坐標(biāo)系，對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。v在在 方向，方向， ，并略去二階導(dǎo)數(shù)

31、。，并略去二階導(dǎo)數(shù)。v由于在薄層外由于在薄層外 ，可推得，可推得x xFg 221uudpuuvgxydxy 0uv dpgdx2.2.數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述第六章 49將此關(guān)系帶入上式得將此關(guān)系帶入上式得引入體積膨脹系數(shù)引入體積膨脹系數(shù) ：代入動(dòng)量方程并令代入動(dòng)量方程并令 改寫原方程改寫原方程22()uuguuvxyy 11pTTTTT22uuuuvgxyy第六章 50采用相似分析方法，以采用相似分析方法，以 及及分別作為流速、長(zhǎng)度及過余溫度的標(biāo)尺，得分別作為流速、長(zhǎng)度及過余溫度的標(biāo)尺，得式中式中 。進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得wttt、0ul 2*2*00*2*2uuuuuuvgtlxyly*(

32、) /()wtttt*22*0*20u luugtluuvuxyy第六章 51 式中第一個(gè)組合量式中第一個(gè)組合量 是雷諾數(shù)，第二個(gè)組合是雷諾數(shù)，第二個(gè)組合 量可改寫為（與雷諾數(shù)相乘）：量可改寫為（與雷諾數(shù)相乘）： 稱為稱為格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)。 在物理上，在物理上， 數(shù)是浮升力數(shù)是浮升力/ /粘滯力比值的一種量度。粘滯力比值的一種量度。 數(shù)的增大表明浮升力作用的相對(duì)增大。數(shù)的增大表明浮升力作用的相對(duì)增大。 自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式為自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式為0/u l23020u lgtlgtlGruGrGrGr(,Pr)Nuf Gr第六章 52 大空間自然對(duì)流：大空間自然對(duì)流：流體的冷卻和加熱過

33、程互不影響，流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。邊界層不受干擾。v如圖兩個(gè)熱豎壁。底部封閉，只要如圖兩個(gè)熱豎壁。底部封閉，只要v底部開口時(shí)，只要底部開口時(shí)，只要 壁面換熱就可按大空壁面換熱就可按大空間自然對(duì)流處理。（大空間的相對(duì)性）間自然對(duì)流處理。（大空間的相對(duì)性）/0.28 ;aH/0.01,bH第六章 53（1 1）常壁溫條件）常壁溫條件工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式：工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式： 式中：定性溫度采用式中：定性溫度采用 數(shù)中的數(shù)中的 為為 與與 之差，之差， 對(duì)于符合理想氣體性質(zhì)的氣體，對(duì)于符合理想氣體性質(zhì)的氣體， 。 特征長(zhǎng)度特征長(zhǎng)度的選擇：豎壁和豎圓柱取高

34、度，橫圓柱取外徑。的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。 常數(shù)常數(shù)C C和和n n的值見下表。的值見下表。 自?；F(xiàn)象：自然對(duì)流紊流的自?；F(xiàn)象：自然對(duì)流紊流的h h與定型尺寸無關(guān)。與定型尺寸無關(guān)。 (Pr)nNuC Gr；()/2mwtttGrtwtt 1/T3. 3. 大空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式大空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第六章 54 注：注：豎圓柱按上表與豎壁用同一個(gè)關(guān)聯(lián)式只限于以下豎圓柱按上表與豎壁用同一個(gè)關(guān)聯(lián)式只限于以下 情況：情況：1 / 435HdHGr第六章 55 （2 2）常熱流條件）常熱流條件 習(xí)慣上，對(duì)于常熱流邊界條件下的自然對(duì)流，往往采習(xí)慣上，對(duì)于常熱流邊界條

35、件下的自然對(duì)流，往往采用下面方便的專用形式：用下面方便的專用形式： 式中：定性溫度取平均溫度式中：定性溫度取平均溫度 ，特征長(zhǎng)度對(duì)矩形取，特征長(zhǎng)度對(duì)矩形取短邊長(zhǎng)。短邊長(zhǎng)。 按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。*(Pr)mNuB Grmt4*2gqlGrGrNu第六章 56第六章 57二二. . 有限空間自然對(duì)流換熱有限空間自然對(duì)流換熱 這里僅討論如圖所示的這里僅討論如圖所示的豎直豎直的和的和水平水平的兩種的兩種封閉夾層封閉夾層的自的自然對(duì)流換熱，而且推薦的關(guān)聯(lián)式僅局限于氣體夾層。然對(duì)流換熱，而且推薦的關(guān)聯(lián)式僅局限于氣體夾層。 封閉夾層示意圖12()wwtt第

36、六章 581.1.夾層內(nèi)流體的流動(dòng)，主要取決于以夾層厚度夾層內(nèi)流體的流動(dòng)，主要取決于以夾層厚度 為特征長(zhǎng)度的為特征長(zhǎng)度的 數(shù)：數(shù)：（1 1）豎直夾層）豎直夾層1 1）夾層厚度與高度之比）夾層厚度與高度之比/H/H0.3，按大空間計(jì)算，按大空間計(jì)算，2 2） /H/H0.3時(shí)，時(shí)， GrGr 2000，按純導(dǎo)熱計(jì)算；，按純導(dǎo)熱計(jì)算； GrGr 2000，按層流計(jì)算；，按層流計(jì)算； 2105 GrGr 2107 ，按紊流計(jì)算；，按紊流計(jì)算；Gr 32gtGr第六章 59（2 2）水平夾層）水平夾層1 1）熱面在上，冷熱面間無流動(dòng)）熱面在上，冷熱面間無流動(dòng)，按導(dǎo)熱計(jì)算，按導(dǎo)熱計(jì)算，2 2）熱面在下）熱面在下， GrGr Pr Pr 1700，按純導(dǎo)熱計(jì)算；，按純導(dǎo)熱計(jì)算； 1700 GrGr Pr Pr 7000，按層流計(jì)算；，按層流計(jì)算； 7000 GrGr Pr Pr 3.2105 ，按紊流計(jì)算；，按紊流計(jì)算； GrGr Pr Pr 3.2105 ，按紊流計(jì)算；，按紊流計(jì)算；（3）傾斜夾層與水平夾層類似，）傾斜夾層與水平夾層類似， GrGr Pr Pr 170