傳熱學第五章

1、第五章第五章 對流換熱對流換熱Convective heat transfer5.1 對流換熱概述 5.2 邊界層分析 5.3 邊界層對流換熱微分方程組 5.4 相似原理在對流換熱中的應用 5.5 管槽內強迫對流換熱 5.6 外掠圓管強迫對流換熱 5.7 自然對流換熱難點： 對相似原理和相似準則數(shù)的理解5.1 對流換熱概述一、對流換熱 1、概念： 流體流過固體壁面時所發(fā)生的熱量傳遞過程。實例：暖氣片，吹風扇，電子元件冷卻，熱風爐。qwtftuxyu2、機理： 包含著熱傳導和熱對流兩個串連的基本換熱過程3、對流換熱的特點：（1）導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程（2）必須有流體和壁面的直接接觸

2、和宏觀運動； 也必須有溫差（3）由于流體的黏性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼 壁面處會形成速度梯度很大的流動邊界層（4）緊貼壁面處同時形成溫度梯度很大的熱邊界層4、牛頓冷卻公式、牛頓冷卻公式對流換熱量的基本計算公式 QFtwqtW/m2 熱流量Q和熱流密度q總取正值 ，因此對流換熱溫差總取正值。1tQF對流換熱的熱阻為 ，單位為K/W。單位面積對流換熱熱阻為 ，單位為(m2K/W)。1/F1w=tftt對流換熱系數(shù) /()QFt2/W mk 當流體與壁面溫度相差1時，每單位壁面面積上、 單位時間內所傳遞的熱量。如何確定對流換熱系數(shù) 及研究增強換熱的措施是對流換熱的核心問題對流換熱的研究方法：解析

3、法 實驗法比擬法數(shù)值法1.流動起因： 自然對流：流體內部各部分因溫度不同而導致密度差異， 在由此而產(chǎn)生的浮升力作用下發(fā)生的流動 。 強制對流：流體在泵、風機或其它壓差作用下發(fā)生的流動 。影響因素：影響因素： 流動起因、流動狀態(tài)、流體有無相變、換熱表面的 幾何因素、流體的熱物理性質等。二、對流換熱的影響因素和對流換熱的分類2.流動狀態(tài)： 層流：整個流場呈一簇互相平行的流線。 紊流：流體質點做復雜無規(guī)則的運動。 紊流流動極為普遍：麥浪滾滾，旗幟在微風中輕輕飄揚。 紊流層流3.流體有無相變：單相換熱：（single phase heat transfer）相變換熱：凝結、沸騰、升華、凝固、融化等 (

4、Phase change) (condensation) (boiling)4.換熱表面的幾何因素：內部流動對流換熱：管內或槽內；外部流動對流換熱：外掠平板、圓管、管束。相變單相5.流體的熱物理性質：定壓比熱 ，密度 ，導熱系數(shù) ，粘度 （或運動粘度 ， ，容積膨脹系數(shù) pc/ 11ppVVTT c、（流體內部和流體與壁面間導熱熱阻小）（單位體積流體能攜帶更多熱量）（有礙流體運動，不利于熱對流）（自然對流換熱增強）fw( , , , ,)pf u t tcL, 或對流換熱分類：對流換熱分類：對流換熱無相變有相變凝結換熱大空間沸騰管內沸騰沸騰換熱管內凝結管外凝結強制對流自然對流混合對流內部流動外

5、部流動圓管內強制對流換熱其他形狀管道對流換熱外掠平板的對流換熱外掠單根圓管的對流換熱外掠圓管管束的對流換熱外掠其他截面柱體的換熱射流沖擊換熱大空間有限空間 5.2 邊界層分析邊界層：流動邊界層，熱邊界層。 當粘性流體流過壁面時，由于摩擦力的作用，使靠近壁面的流體的流速降低，在垂直于平板的很小的距離內，流體的速度從來流速度降到貼壁處的零值。規(guī)定達到主流速度的0.99倍處和壁面間的薄層稱為流動邊界層。 一、流動邊界層邊界層內速度梯度很大；y=0處的速度梯度最大。,u0 . 9 9 uy , x空氣速度10/ :um s1002001.8;2.5xmmxmmmmmm流動邊界層的厚度與流速、流體的運動

6、粘度 和離平板前緣的距離x的關系 平板長度l (cm) 空氣沿平板流動時邊界層增厚的情況cm由牛頓粘性定律：速度梯度越大，粘滯應力越大。邊界層外： 在y方向無變化，粘滯應力為0主流區(qū)uyu0uy流場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)和主流區(qū)。邊界層區(qū)：流體的粘性起主導作用，流體的運動用粘性流體運動微分方程組描述。（N-S方程）主流區(qū)：速度梯度為0， 可視為無粘性理想流體；流體的運動用歐拉方程。 邊界層概念的基本思想0流體外掠平板時的層流邊界層與紊流邊界層臨界距離：由層流邊界層開始向紊流邊界層過度的距離：臨界雷諾數(shù)：cxRecRecccu xu xv慣性力粘性力565Re2 10 3 10 ;5 10c

7、 c平板：取Re紊流邊界層： 為何是一個范圍？層流底層：緊靠壁面處，粘滯力會占絕對優(yōu)勢，使粘附于壁的一層薄層仍然會保持層流特征，具有最大的速度梯度。流動邊界層的幾個重要特征：流動邊界層的幾個重要特征：邊界層厚度 與壁的定型尺寸L相比極小邊界層內存在較大的速度梯度。邊界層流態(tài)分層流和紊流，紊流邊界層緊靠壁面處仍有層流特征，層流底層。流場可以分為邊界層區(qū)和主流區(qū)。 邊界層區(qū)：由粘性流體運動微分方程組描述。 主流區(qū)：由理想流體運動微分方程歐拉方程描述。L邊界層理論的基本論點：邊界層理論的基本論點： 邊界層概念也可以用來分析其他情況下的流動和換熱。如流體在管內的受迫流動，流體外掠圓管流動，流體在豎直壁

8、面上的自然對流等。邊界層的厚度：卡門近似積分法112214551155570,04.64 Re;0,0Re;(Re10256Re);(Re5 10 ;5 10Re10 )xxxxcxxxxxxxxx 層流邊界層:紊流邊界層:=0.381先為層流后為紊流：0.381二、熱邊界層 當溫度均勻的流體流過壁面溫度與其不同的平板時，流體與壁面之間發(fā)生熱量交換，在緊貼壁面位置存在著一流體薄層。在其中，流體的溫度由壁面溫度變化到主流溫度，這一流體薄層稱為熱邊界層。 厚度 熱邊界層厚度， 不一定相等。流動邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過程和邊界層內的溫度分布。, 0.99()twwyTTTTtt與層流：

9、溫度呈拋物線分布紊流：溫度呈冪函數(shù)分布紊流邊界層貼壁處的溫度梯度明顯大于層流 故：紊流換熱比層流換熱強。 的關系：分別反映流體分子和流體微團的動量和熱 擴散的深度,w tw LTTyyt與13Pr0.6Pr50t層流：層流靠流體導熱換熱，紊流依靠流體微團脈動對流換熱壁面加熱流體時熱邊界層的形成和發(fā)展 rtrPaP普朗特數(shù)，反映了流動邊界層與熱邊界層厚度的相對大小。液態(tài)金屬的流動邊界層遠小于熱邊界層的厚度；對于空氣兩者大致相等；對于高粘度的油類，則速度邊界層遠大于熱邊界層。 5.3 邊界層對流換熱微分方程組 在這極薄的貼壁層流中，熱量只能以導熱方式傳遞。根據(jù)傅里葉定律：2,/,0w xw xw

10、xtqW myWmtxy流體的導熱系數(shù)在坐標為的貼壁處流體的溫度梯度1、對流換熱過程微分方程式：根據(jù)牛頓冷卻公式：2, /w xxwqttW m,w xxqxK2局部熱流密度壁面 處局部對流換熱系數(shù) W/ m,xww xttty 對流換熱微分方程式：,w xw xtqy傅里葉定律： 取決于流體導熱系數(shù)、溫度差和貼壁流體的溫度梯度。 溫度梯度或溫度場取決于流體的熱物性、流動狀況、流速的大小及分布、表面粗糙度等。 溫度場取決于流場。 速度場和溫度場由對流換熱微分方程組確定。 連續(xù)性方程、動量方程、能量方程x,xww xttty 2 2、常物性不可壓縮流體的二維、常物性不可壓縮流體的二維穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)流動

11、流動 邊界層對流換熱微分方程組邊界層對流換熱微分方程組 流體縱掠平板壁面：1/21/30.332()()xuxxa0()xxyxtty 22ptttuvxycy22()xuudpuuvFxydxy0uvxy對流換熱微分方程：能量微分方程：動量微分方程：連續(xù)性微分方程：xtuv44p未知量：、 、 、個，方程 個，方程是封閉的。 （ 由主流區(qū)伯努利方程求得） 5.4 相似原理在對流換熱中的應用 實驗是研究對流換熱的主要和可靠手段； 是檢驗解析解、數(shù)值解的唯一方法。 問題：如何進行實驗研究？ 影響因素眾多，實驗工作量龐大、存在盲目性。),(wfL, cttufp或 在實物或模型上進行對流換熱實驗研

12、究時，變量太多。 三個問題：如何設計實驗、實驗中應測哪些量（是否所有的物理量都測）；實驗數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣的函數(shù)關系）；實驗結果如何推廣運用于實際現(xiàn)象。 相似原理將回答上述三個問題I.相似原理：相似的性質、相似準則間的關系、判別相似的條件利用與原型相似的模型來研究一、物理現(xiàn)象相似的概念：一、物理現(xiàn)象相似的概念： 如果兩個同類的物理現(xiàn)象，在對應的時空點，各標量物理量的大小成比例，各向量物理量除大小成比例外，且方向相同，則稱兩個現(xiàn)象相似。 同類物理現(xiàn)象同類物理現(xiàn)象：用相同形式和內容的微分方程式（控制方程+單值性條件方程）所描述的現(xiàn)象。 電場與溫度場： 微分方程相同，內容不同。 強制對流換熱

13、與自然對流換熱：微分方程的形式和內容都有差異。 外掠平板和外掠圓管：控制方程相同，單值性條件不同。 時空點對應時空點對應 ：幾何相似、時間相似是必要條件。 物理現(xiàn)象相似：在空間、時間相似的基礎上，影響物理現(xiàn)象 的所有物理量分別相似的總和，包括幾何、時間、運動、動力等等。1）幾何相似 彼此幾何相似的三角形，對應邊成比例若（1）（2）相似若（1）（3）相似llabchCabchabchCabch幾何相似倍數(shù) llabchabchCCabchabch整理得：即：兩三角形相似時，不僅各對應邊成比例，而且他們的 數(shù)值必定相等。;ABbbbcccLLaaaaaa,ABLL可以證明：如果兩個三角形具備相同的

14、 那么它們必定相似。ABbbLaaccLaa 分別相等表達了三角形相似的充分和必要條件 有判斷兩三角形是否相似的作用 是無量綱的 幾何相似特征數(shù) 幾何相似準則,ABLL,ABLL,ABLL,ABLL2）物理現(xiàn)象相似例1：流體在圓管內穩(wěn)態(tài)流動時速度場相似問題。圓管半徑分別為R,R,溫度沿x，r方向變化，如果在空間對應點上：312123312123llxxxlCxxxlrrrCrrrRR=速度成比例：稱這兩圓管內速度相似312123maxmumaxmuuuuuuCuuuuuu例2：物體外掠平板對流換熱邊界層溫度場相似問題溫度沿x，y方向變 化，如果在空間對應點上：331212123123;nnll

15、nnxxyyxxyyCCxxxxyyyy溫度成比例：稱這兩個溫度場相似312123nnC溫度場相似倍數(shù)幾何相似倍數(shù) 兩個對流換熱現(xiàn)象相似兩個對流換熱現(xiàn)象相似： 它們的溫度場、速度場、粘度場、 熱導率場、壁面幾何因素都應分別相似。 即：在對應瞬間、對應點上各物理量分別成比例 各影響因素不是彼此孤立的，它們之間存在著由對流方程組所規(guī)定的關系。 故：各相似倍數(shù)之間也必定有特定的制約關系，它們的值不是隨意的。; luvxyzCCCxyzuvvCCCuvv（a）（b）（c）1）相似物理現(xiàn)象的性質相似定理1【物理現(xiàn)象相似的必要條件】證明：設a、b兩個對流換熱現(xiàn)象相似，則根據(jù)換熱微分方程式 現(xiàn)象a： 現(xiàn)象b

16、： 0|ytty 0|ytty 因為a、b兩現(xiàn)象相似，所以與現(xiàn)象有關的物理量應分別相似，即 ,atltyCCCCty二、相似原理及其在對流換熱中的應用二、相似原理及其在對流換熱中的應用彼此相似的現(xiàn)象，它們的同名相似準則（相似特征數(shù)）相等。將式（c）代入式（a），并整理，得0|alyCCtCty （d）比較式（b）與式（d），若該兩式相等 1alCCC（e） 兩同類物理現(xiàn)象相似，各物理量相似倍數(shù)不是隨意選定的，而是受描述物理現(xiàn)象的微分方程制約。 將式（c）代人式（e）得： yy（f）又，幾何相似時有 ：lylCyl ll（g） lNu uN無量綱物理量，稱為努謝爾特準則 （數(shù)）uuNN（h） 兩

17、對流換熱現(xiàn)象相似，其努謝爾特準則必相等。以上導出準則的方法稱為相似分析。由相似的前提推出，故為相似的必要條件。用來判斷相似的準則故曰相似準則。對動量微分方程式進行相似分析可導出 eePPeeRR ulu lulRe 兩流體的運動現(xiàn)象相似，其雷諾準則必相等。 從能量微分方程式可導出 aulPe 兩熱量傳遞現(xiàn)象相似，其貝克利準則必相等 貝克利準則可分解為 普朗特準則。 alualuaPrereRPulaP雷諾準則貝克利準則自然對流，溫升引起的浮升力不可忽略，動量微分方程為：22()uuuuvgtxyy 0()gtg 為流體與壁面的溫度差 單位體積的浮升力 tg為重力加速度 流體的容積膨脹系數(shù) 11

18、()()ppVVTT 對于理想氣體 1T對液體或蒸汽，其值由實驗確定 對考慮了浮力的動量方程進行相似分析，可以得出：32rgtlGrG格拉曉夫準則 l為壁面的定型尺寸 流體的運動粘度 2(m /s)(,)uerrNRPG 如果兩穩(wěn)態(tài)無相變對流換熱問題相似， 那么它們的以下同名相似準則必定相等。 研究穩(wěn)態(tài)無相變對流換熱問題時常用的準則。對流換熱現(xiàn)象受控于換熱微分方程組，對此方程組進行相似分析所獲得的相似準則反映了對流換熱現(xiàn)象的特征。rrGG 這是我們通過對與原型相似的模型 進行實驗，獲取原型信息的理論基礎。(,)uerrNRPG= 這些準則反映了物理現(xiàn)象的特征，都具有一定的物理意義。(,)uer

19、rNRPG(,)uerrNRPG=原型模型推論：只要相似準測不變，即使組成相似準則的變量發(fā)生變化，換熱現(xiàn)象的特征也不會發(fā)生變化。這說明各個物理量不是單獨地而是組成無量綱的組合對現(xiàn)象發(fā)生影響。 因此實驗時應以相似準則為實驗變量，而不必以相似準則中的每一個量為變量。這可使得變量的個數(shù)大幅減少，從而減少實驗次數(shù)，便于進行實驗。實驗中只需要測量各相似準則中所包含的物理量。避免了測量的盲目性，解決了實驗中測量哪些物理量的問題。努謝爾特準則的物理意義：努謝爾特準則的物理意義： ulN把 用換熱微分方程的右端項帶入 中壁面處流體無量綱過余溫度的變化率，努謝爾特準則反映對流換熱的強弱。 越大，則換熱越強。 u

20、N00000|()1()()()yfuywfyYtlttltyNlttyyYl 相似準則數(shù)的物理意義：相似準則數(shù)的物理意義：雷諾準則雷諾準則的物理意義：的物理意義： 3233222eulull ull ul aRuuullllll慣性力粘性力反映了流體流動時慣性力與粘性力的相對大小。普朗特準則普朗特準則的物理意義：的物理意義： rPa普朗特準則的分子、分母分別為流體的動量擴散率和熱擴散率，都是物性。由動量方程和能量方程的類似性知，它反映了動量擴散能力和熱量擴散能力的相對大小。22tttuvaxyy22uuuuvxyy動量方程能量方程格拉曉夫準則格拉曉夫準則的物理意義：的物理意義： 333222

21、rgtlgtlulgtVgtlGuulAll rgtVGuAl 浮升力粘性力212ugtlugtl 即，這里應用了，自然對流換熱時，單位體積流體受到的浮升力所作的功等于其動能。格拉曉夫準則表征流體浮升力與粘性力的比值。2)相似準則間的關系相似準則間的關系相似定理相似定理2 BECAUSE:影響對流換熱現(xiàn)象的各個物理量是受到微分方程組的約束的，由這些物理量組成的相似準則間也不是獨立的，而是有函數(shù)關系的。由定性物理量組成的相似準則，相互間存在著函數(shù)關系。此函數(shù)關系式又稱準則方程式。VcFpettttf0f00iVVBFe 例如：對集總參數(shù)法中過余溫度的計算式進行無量綱化：21011001112si

22、ncos()(,)sincosFiX ef X B F對無限大平板中過余溫度的計算式進行無量綱化： 將邊界層對流換熱微分方程及其定解條件進行無量綱化，也可以得出以上相似準則，并且可以說明諸準則間存在函數(shù)關系。 應用量綱分析的定理也可以求得以上相似準則及諸準則間的函數(shù)關系。相似準則間存在函數(shù)關系的證明：詳細說明省略，可參考相似理論及量綱分析、流體力學類書籍。 強迫對流換熱的層流區(qū)和過渡區(qū)，浮升力不能忽略，準則方程為：1(,)uerrNf RPG 紊流區(qū)，浮升力的影響可忽略，上式中可去掉 準則，簡化為：rG2(,)uerNfRP 對于空氣強迫對流換熱， 準則可作為常數(shù)處理，于是上式可簡化為 ：rP

23、3()ueNfR穩(wěn)態(tài)無相變對流換熱現(xiàn)象的準則方程式：穩(wěn)態(tài)無相變對流換熱現(xiàn)象的準則方程式： 自然對流換熱，流體運動的發(fā)生是由溫度差引起的， 準則不是獨立準則，浮力起主要作用。自然對流換熱的準則方程為：eR4(,)urrNfGP 將變量間的關系整理成相似準則間的關系式是認識上的一個飛躍。它更深刻地反映了物理現(xiàn)象的本質，說明各個物理量不是單個地而是組成無量綱的組合起作用。它使得變量的個數(shù)大幅減少，便于進行實驗和整理實驗數(shù)據(jù)。 實驗時，只需測量各準則中包含的量，并按上述關聯(lián)式整理實驗數(shù)據(jù)。解決了實驗中如何整理實驗數(shù)據(jù)的問題。 實驗時，只需以準則數(shù)為變量，通過改變相似準則數(shù)中便于改變的量來變化實驗條件，

24、大大減少了實驗工作量。 以準則數(shù)為變量的一個實驗點，代表了整個相似組。 凡同類現(xiàn)象，若單值性條件相似，且同名相似準則相等，凡同類現(xiàn)象，若單值性條件相似，且同名相似準則相等， 則現(xiàn)象一定相似。則現(xiàn)象一定相似。 單值性條件： （1）幾何條件：換熱面形狀、尺寸，粗糙度，管子的 進口形狀等； （2）物理條件：流體的物性等； （3）邊界條件：流體的進、出口溫度，壁面溫度或壁 面熱流密度，壁面處速度有無滑移； （4）時間條件：現(xiàn)象中各物理量隨時間變化的情況。 穩(wěn)態(tài)過程，無時間條件。3 ）判別相似的條件）判別相似的條件相似定理相似定理3 物理現(xiàn)象相似的充分必要條件物理現(xiàn)象相似的充分必要條件兩個現(xiàn)象相似是實驗

25、關系式可以推廣應用的條件。這一定理告訴我們應該如何設計實驗、試驗結果可以應用的范圍。（1）設計實驗應使模型與原型中的對流換熱過程必須相 似，即單值性條件相似，同名相似準則相等；（2）實驗時改變條件（改變相似準則中易于改變的量）， 測量相似準則中包含的其余物理量，得到幾組有關 的相似準則；（3）利用這幾組相似特準則數(shù)，整理得到相似準則之間的 函數(shù)關系式。實驗結果可以推廣應用到相似的現(xiàn)象。相似原理回答了實驗中遇到的問題：在相似原理指導下進行對流換熱實驗的方法總結：在相似原理指導下進行對流換熱實驗的方法總結：實驗方案，模型設計，實驗數(shù)據(jù)的整理，試驗結果的應用問題都得到解決。4）實驗數(shù)據(jù)的整理）實驗數(shù)

26、據(jù)的整理 、準則關系式的形式： 依據(jù)相似理論，實驗數(shù)據(jù)應整理成相似準則間的關系式， 具體為什么形式呢？ 特征數(shù)關聯(lián)式通常整理成冪函數(shù)形式，因為它能較好地 表達實驗數(shù)據(jù)的規(guī)律性，且便于應用。如： RemuNCRe PrPrmnunuNCNC Gr對于空氣強迫紊流換熱，可采用：式中，C, m, n由實驗確定。冪函數(shù)在雙對數(shù)坐標上是一條直線。確定C, m, n 的示例：空氣強迫紊流換熱 mueNCR兩邊取對數(shù)得： lglglgueNCmR采用不同的雷諾數(shù)做實驗，就可以得到不同的 數(shù)，然后以 為橫坐標， 為縱坐標，將實驗結果畫在坐標系中（或直接進行回歸），作出實驗曲線，一般畫成直線，直線的斜率 就是式

27、（5-16）中的指數(shù) 。 （5-16）uNlgeRlguNtgm圖5-7 準則關系式的雙對數(shù)圖示在直線上任取三點，并把數(shù)值 代入式（5-16） ,jikijkuuuijkmmmeeeNNNCCCRRR1()3ijkCCCC(,)iijjkkueueueNRNRNR取此C為式（5-16）中的系數(shù)，以減少隨機誤差。、 定性溫度、特征長度和特征速度2/)( t c) b) a)mfwfttt熱邊界層平均溫度：壁面溫度：流體平均溫度：使用特征關系式時，必須與其定性溫度一致。有時在特征數(shù)下標中表明特征溫度，如：emefnmufRRNN,定性溫度：用來查取相似準則中包含的物性參數(shù)所依據(jù) 的溫度。 、Pr

28、等常與溫度相關。依據(jù)經(jīng)驗選用以下三種定性溫度中的任一種： 準則關系式中的與溫度有關的物性值依據(jù)何處的溫度確定？長度尺寸、速度值又取何處的？（2）特征長度：準則中選用的幾何尺寸。 即 Re,Gr,Nu 中選用的長度。 應取對流動和換熱有明顯影響的幾何尺度： 縱掠平壁時選用沿流體流動方向上的平壁長度 ； 橫掠單管和管束時選用管道外徑 d； 管內強迫對流換熱時： 圓管為管內徑 d； 非圓管、槽道內強迫對流換熱時，采用當量直徑 de 。4 fUefdU槽道截面積；濕周l （3）特征速度：Re數(shù)中選用的流體速度。 流體外掠平板或繞流圓柱，取來流速度 u； 管內流動，取截面上的平均速度um； 流體繞流管束

29、，取最小流通截面的最大速度u max。 相似特征數(shù)關系式的具體函數(shù)形式、定性溫度、特征長度、特征速度等的確定具有一定的經(jīng)驗性。 對于同一批實驗數(shù)據(jù)，不同人采用不同的準則關系式形式，可能獲得不同的實驗關聯(lián)式。好的關系式對實驗數(shù)據(jù)擬合后誤差小，同時參數(shù)范圍廣泛。 選擇定性溫度、特征長度、特征速度不同，對于實驗關系式也會有影響。 所得關系式只能用于相似的現(xiàn)象中，并且不能超出實驗驗證的參數(shù)范圍；定性溫度、特征長度、特征速度的選取也必須一致。整理與使用相似特征數(shù)關系式的注意點：整理與使用相似特征數(shù)關系式的注意點： 5.5 管槽內強迫對流換熱管槽內強迫對流換熱管槽內強迫對流換熱是工業(yè)換熱設備中普遍存在的換

30、熱現(xiàn)象。 例如：鍋爐中的水在省煤器中的對流換熱 空氣在管式空氣預熱器中的對流換熱 連鑄機結晶器銅版的冷卻管內流動特征： 層流 2 200 過渡狀態(tài) 2 2002 200 10104 4 紊流 104 eReReR流動狀態(tài)不同，換熱特點不同，實驗式不同5.5.1紊流強迫換熱紊流強迫換熱迪圖斯一貝爾特（DittusBoelter）公式：0 .80 .0 2 3fffnuerNRP流體被加熱時流體被冷卻時 0.4n 0.3n 使用條件： 相對管長 50的直管道 定性溫度：流體的平均溫度 定型尺寸：圓管，圓管內徑 非圓管，當量直徑 特征速度（ 中的）：流體的截面平均流速 流體與壁面溫度差中等以下： 空

31、氣與壁面 50 水與壁面 2030 油類與壁面 10 /el deR得到的是平均換熱系數(shù)不符合使用條件時，需要修正?？紤]人口段對換熱系數(shù)影響的修正系數(shù)考慮人口段對換熱系數(shù)影響的修正系數(shù)l/el d50時 入口流動特征：入口段進入充分發(fā)展段 圖5-9 管內流動局部換熱系數(shù) 的變化x紊流換熱時入口效應修正系數(shù)紊流換熱時入口效應修正系數(shù) 圖5-10 入口效應修正系數(shù)圖5-11 入口形狀對局部 的影響uxN管子入口形狀的影響：空氣紊流換熱的實驗結果 尖角入口效應修正系數(shù)尖角入口效應修正系數(shù)：0.71()ldl 溫差修正系數(shù) t當流體溫度和壁面溫差較大時，粘度隨溫度變化導致速度分布發(fā)生畸變，從而影響對流

32、換熱系數(shù) 圖5-12 粘度隨溫度 變化對速度場的影響曲線1：等溫流動時速度分布。曲線2：當液體被冷卻時速度分布。換熱減弱。曲線3：液體在管內流動被加熱時速度分布， 從管中心到管壁，液體的溫度沿徑向 升高，粘度變小，靠近壁面處的流速 要比等溫流動時升高，換熱增強。 對氣體則相反。 這種溫度場導致速度場變化對對流換熱 系數(shù)產(chǎn)生影響，用溫差修正系數(shù)加以修正。 0.110.250.55()()273.15()273.151ftftftttt液體被加熱：液體被冷卻：氣體被加熱：氣體被冷卻：彎管修正系數(shù)彎管修正系數(shù)R圖5-13 螺旋管中的二次環(huán)流31 1.771 10.3()RRdRdR 對于氣體：對于液

33、體：R為通道曲率半徑（m）d為管內徑（m） 工程實際應用的迪圖斯一貝爾特（DittusBoelter）公式：0.80.023fffnuerltRNRP 0.40.60.80.40.20.023()pltRcuud取n n0.0.4,把上式展開，則得 udpc、 、 、，5.5.2 層流強迫換熱層流強迫換熱 賽得爾塔特（Seider-Tate）公式：1/ 31/ 31/ 30.141.86()()ffffeuerdNRPL定性溫度：流體的平均溫度（除去w ）定型尺寸：管內徑de 使用范圍為： feR 22000.517000frP 0.044 98f10ffeeedRPL1/3()edL0.14

34、()f考慮入口效應 考慮非等溫流動中溫度場對對流換熱系數(shù)的影響。 只適用于嚴格的層流流動,小直徑,小溫差的橫管 。5.5.3過渡區(qū)強迫對流換熱過渡區(qū)強迫對流換熱42200 10eR2/31/32/30.140.116(125)1 ()()ffffeuerdNRPL定性溫度：流體的平均溫度（除去w ）定型尺寸：管內徑de 0.14()f考慮溫度場對對流換熱系數(shù)的影響 1/31()edL考慮入口段長度對換熱的影響 0.6frP 5.6 外掠圓管強迫對流換熱流體外掠圓管時的強迫對流換熱 5.6.1外掠單管外掠單管外掠單管流動邊界層的特征 圖5-14 流體橫掠單圓管流動邊界層壁面流體壓力沿程發(fā)生變化，

35、前部遞減，后部回升 0dpdx0dpdx0()0yuy的點稱為分離點。分離點后出現(xiàn)逆向流動，形成渦旋、渦束，破壞了正常的邊界層流動 分離點的位置、換熱系數(shù)與Re的關系： 51.5 10eR80 8551.5 10eR14010eR不會出現(xiàn)脫體現(xiàn)象 邊界層先轉變?yōu)槲闪鳎擉w分離點推后 了解局部對流換熱系數(shù)的變化對于確定處于高溫流體中的管子沿圓周的溫度分布有重大意義 橫掠圓管局部換熱系數(shù)的變化平均換熱系數(shù) 圖5-16 空氣橫掠圓管換熱的實驗結果對于空氣推薦分段冪次關聯(lián)式：mmnueNCR定性溫度：定型尺寸：管外徑特征速度：來流速度溫度范圍： tf twwf()/2tt15.1 982211046影

36、響換熱的因素：Re、Pr準則、管間距、管排數(shù)、排列方式等排列方式：順排、叉排 5.6.2外掠管束換熱外掠管束換熱順排、叉排：第一排管的換熱狀 況與橫掠單管相仿 。后排管的對流換熱系數(shù)比前排高， 10排管子以后，擾動基本穩(wěn)定， 換熱系數(shù)不再變化 。一般，叉排時的換熱比順排要強， 當Re很高時 ，順排超過叉排管束?？諝鈾M掠10排以上管束的平均換熱系數(shù)的實驗式 mmnueNCR定性溫度：管壁面溫度與流體溫度的平均值 定型尺寸：管外徑 Re中的流速：采用垂直于流體流動方向的最窄截面上的流速 適用范圍 ：管排修正系數(shù) ：表5-3 流動方向不與管束垂直，而成 夾角時的修正系數(shù) ：200040000meR n0.6(sin )mmnuenNCR 適用范圍：20 902610 10eR 5.7 自然對流換熱大空間自然對流換熱：周圍沒有其它物體阻礙換熱面上邊界層 形成和發(fā)展的自然對流換熱。有限空間自然對流換熱：否則稱為有限空間自然對流換熱 。5.7.1大空間自然對流換熱大空間自然對流換熱圖5-18 流體