第6-單相流體對(duì)流換熱

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 河南省省級(jí)精品課程河南省省級(jí)精品課程河南省高等學(xué)校精品資源共享在建課程河南省高等學(xué)校精品資源共享在建課程 主講教主講教師：范曉偉師：范曉偉 鄭慧凡鄭慧凡中原工學(xué)院中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院主要內(nèi)容主要內(nèi)容n6-1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱管內(nèi)受迫對(duì)流換熱n6-2 外掠圓管對(duì)流換熱外掠圓管對(duì)流換熱n6-3 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱n6-1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱管內(nèi)受迫對(duì)流換熱特征：特征：1）進(jìn)口段與充分發(fā)展段；）進(jìn)口段與充分發(fā)展段；2）平均速度與平均溫度；）平均速度與平均溫度；3）物性場(chǎng)的不均勻。）物性場(chǎng)的不均勻。A 流體在管子內(nèi)流動(dòng)時(shí)速度邊界層

2、的變化流體在管子內(nèi)流動(dòng)時(shí)速度邊界層的變化 層流層流 紊流紊流n進(jìn)口段：從管入口到邊界層閉合點(diǎn)管內(nèi)區(qū)域，此時(shí)，管斷面流速分布和進(jìn)口段：從管入口到邊界層閉合點(diǎn)管內(nèi)區(qū)域，此時(shí)，管斷面流速分布和流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到定型。流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到定型。n充分發(fā)展段：閉合點(diǎn)以后的管道區(qū)域。充分發(fā)展段內(nèi)速度不再變化充分發(fā)展段：閉合點(diǎn)以后的管道區(qū)域。充分發(fā)展段內(nèi)速度不再變化. (徑向速度為徑向速度為0，軸向速度不變，軸向速度不變)。1、進(jìn)口段與充分發(fā)展段、進(jìn)口段與充分發(fā)展段充分發(fā)展段的流態(tài)判斷：充分發(fā)展段的流態(tài)判斷：n層流：層流：n過(guò)渡區(qū)：過(guò)渡區(qū)：n旺盛紊流：旺盛紊流：Re23002300Re10000Re10000B.熱邊界層

3、熱邊界層n熱進(jìn)口段熱進(jìn)口段分為兩個(gè)區(qū)域：分為兩個(gè)區(qū)域：熱邊界層內(nèi)熱邊界層內(nèi)，沿半徑方向，管斷面上溫度分布從，沿半徑方向，管斷面上溫度分布從壁面溫度變到管道進(jìn)口溫度，變化曲線是拋物線或?qū)?shù)曲線，壁面溫度變到管道進(jìn)口溫度，變化曲線是拋物線或?qū)?shù)曲線，熱邊界層以熱邊界層以外的區(qū)域外的區(qū)域，仍保持著管道進(jìn)口時(shí)的溫度。，仍保持著管道進(jìn)口時(shí)的溫度。n熱充分發(fā)展段：熱充分發(fā)展段：熱邊界層已全部占據(jù)在管內(nèi)空間，不再受進(jìn)口溫度影響，熱邊界層已全部占據(jù)在管內(nèi)空間，不再受進(jìn)口溫度影響，斷面上溫度為拋物線或?qū)?shù)曲線。斷面上溫度為拋物線或?qū)?shù)曲線。n而在一般情況下而在一般情況下速度邊界層速度邊界層和和熱邊界層熱邊界層是

4、不重合的。是不重合的。流動(dòng)進(jìn)口段流動(dòng)進(jìn)口段與與熱進(jìn)口熱進(jìn)口段段長(zhǎng)度也不相同長(zhǎng)度也不相同.C. 進(jìn)口管段與充分發(fā)展段的特點(diǎn)進(jìn)口管段與充分發(fā)展段的特點(diǎn)n主要討論熱邊界層的特點(diǎn)主要討論熱邊界層的特點(diǎn)n由于流體在管內(nèi)向前流動(dòng)時(shí)由于流體在管內(nèi)向前流動(dòng)時(shí)與壁面換熱，與壁面換熱，管斷面上溫度管斷面上溫度分布分布 t(r)和和管斷面上平均溫管斷面上平均溫度度t f 值值均沿管長(zhǎng)而變化，與均沿管長(zhǎng)而變化，與有有x關(guān)，這與充分發(fā)展段內(nèi)關(guān)，這與充分發(fā)展段內(nèi)速度保持不變有區(qū)別。速度保持不變有區(qū)別。實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明充分發(fā)展段內(nèi)充分發(fā)展段內(nèi)管斷面上任一點(diǎn)的無(wú)量綱溫度與管斷面上任一點(diǎn)的無(wú)量綱溫度與x無(wú)關(guān)無(wú)關(guān))()(),()

5、(xtxtrxtxtfww),();();(321rxftxftxftfwfwfwwttrtxtxtrxtxtr)()(),()(在同一斷面上，在同一斷面上，t w 和和 t f是定值，與是定值，與r無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)分析：分析：只是只是r的函數(shù)的函數(shù)當(dāng)當(dāng)r =R時(shí)：時(shí)：fwRrRrfwwttrtxtxtrxtxtr)()(),()(consthhqqww而同一斷面上無(wú)量綱溫度：而同一斷面上無(wú)量綱溫度：因此，因此，0)()(),()(fwwfwwttttxxtxtrxtxtx結(jié)合結(jié)合 對(duì)照?qǐng)D示，管入口段（無(wú)論是層流或紊流），局部換熱系對(duì)照?qǐng)D示，管入口段（無(wú)論是層流或紊流），局部換熱系數(shù)數(shù)h x沿管長(zhǎng)降低

6、，這部分長(zhǎng)度內(nèi)，局部換熱系數(shù)沿管長(zhǎng)降低，這部分長(zhǎng)度內(nèi)，局部換熱系數(shù)h x與全長(zhǎng)上與全長(zhǎng)上的平均換熱系數(shù)的平均換熱系數(shù)h不同。充分發(fā)展段，不同。充分發(fā)展段，h x和和h都趨于定值。都趨于定值。在后面提供的經(jīng)驗(yàn)公式均是指全管長(zhǎng)上的平均換熱系數(shù)在后面提供的經(jīng)驗(yàn)公式均是指全管長(zhǎng)上的平均換熱系數(shù)h。管內(nèi)流動(dòng)時(shí)熱入口段長(zhǎng)度范圍管內(nèi)流動(dòng)時(shí)熱入口段長(zhǎng)度范圍層流層流紊流紊流C. 進(jìn)口管段與充分發(fā)展段的特點(diǎn)進(jìn)口管段與充分發(fā)展段的特點(diǎn)充分發(fā)展段內(nèi)充分發(fā)展段內(nèi)管斷面上任一點(diǎn)的無(wú)量綱溫度與管斷面上任一點(diǎn)的無(wú)量綱溫度與x無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)RRfmrdruRRdrruRudffVu022020222、管內(nèi)流體平均速度和平均溫度管內(nèi)流

7、體平均速度和平均溫度A 管內(nèi)流體平均速度管內(nèi)流體平均速度:mVuf管內(nèi)流體平均速度管內(nèi)流體平均速度根據(jù)熱平衡計(jì)算斷面平均溫度：根據(jù)熱平衡計(jì)算斷面平均溫度：在管中取一微元段在管中取一微元段dx；流體獲得熱量流體獲得熱量d；溫度變化了；溫度變化了dtf熱平衡式：流體沿管長(zhǎng)焓值的變化等于流體與管壁的換熱量熱平衡式：流體沿管長(zhǎng)焓值的變化等于流體與管壁的換熱量fpmfwxdtcRuRdxtthRdxqd22)(2RuctthRucqdxdtmpxfwxmpf)(22n按照邊界條件不同，斷面平均溫度有不同的變化規(guī)律，因此按照邊界條件不同，斷面平均溫度有不同的變化規(guī)律，因此有不同的計(jì)算全管長(zhǎng)上流體平均溫度的

8、方法有不同的計(jì)算全管長(zhǎng)上流體平均溫度的方法 。如常壁溫。如常壁溫tw，常熱流常熱流q。B、管內(nèi)流體平均溫度管內(nèi)流體平均溫度該微元段的熱平衡式：該微元段的熱平衡式：n按照邊界條件不同，斷面平均溫度有不同的變化規(guī)律，因按照邊界條件不同，斷面平均溫度有不同的變化規(guī)律，因此有不同的計(jì)算全管長(zhǎng)上流體平均溫度的方法此有不同的計(jì)算全管長(zhǎng)上流體平均溫度的方法 。如常壁溫。如常壁溫tw，常熱流，常熱流q。C 整個(gè)管長(zhǎng)平均溫度整個(gè)管長(zhǎng)平均溫度constRucqdxdtmpf2RuctthconstRucqdxdtmpxfwxmpf)(22dxdtdxdtwf上式右端對(duì)上式右端對(duì)x求導(dǎo)求導(dǎo)充分發(fā)展段充分發(fā)展段h不變

9、不變tf隨隨x 線性變化線性變化 在在qw=C條件下，充分發(fā)展段的管壁溫度條件下，充分發(fā)展段的管壁溫度tw(x) 也呈線性變化，也呈線性變化，而且變化速率與流體斷面平均溫度而且變化速率與流體斷面平均溫度tf (x)的變化速率相同的變化速率相同常熱流邊界條件時(shí)常熱流邊界條件時(shí)全管長(zhǎng)流體與管道壁面溫度差全管長(zhǎng)流體與管道壁面溫度差管道進(jìn)口端流體與管壁之間的溫度差；管道進(jìn)口端流體與管壁之間的溫度差；wfttt()/ 2;(63 )tttb、ffttwfttt-分別為管道出口、進(jìn)口截面上分別為管道出口、進(jìn)口截面上 的流體平均溫度；的流體平均溫度；1) 常熱流邊界條件時(shí)常熱流邊界條件時(shí)全管長(zhǎng)流體平均溫度全

10、管長(zhǎng)流體平均溫度管道出口端流體與管壁之間的溫度差；管道出口端流體與管壁之間的溫度差；()/ 2ffftttwftttwftttC 整個(gè)管長(zhǎng)平均溫度整個(gè)管長(zhǎng)平均溫度實(shí)際應(yīng)用中如果不是常熱流邊界，但是實(shí)際應(yīng)用中如果不是常熱流邊界，但是也按常熱流邊界處理。也按常熱流邊界處理。 /2tt2) 常壁溫時(shí)全管長(zhǎng)流體平均溫度常壁溫時(shí)全管長(zhǎng)流體平均溫度n常壁溫時(shí)，壁面各處溫度相同，沿管長(zhǎng)度方向不變。常壁溫時(shí)，壁面各處溫度相同，沿管長(zhǎng)度方向不變。n常壁溫的實(shí)現(xiàn)方法：管外蒸汽凝結(jié)，或者管外的液體沸騰，常壁溫的實(shí)現(xiàn)方法：管外蒸汽凝結(jié)，或者管外的液體沸騰，蒸汽無(wú)過(guò)熱，液體無(wú)過(guò)冷的情況，相變?cè)陲柡蜏囟认逻M(jìn)行，蒸汽無(wú)過(guò)熱

11、，液體無(wú)過(guò)冷的情況，相變?cè)陲柡蜏囟认逻M(jìn)行，管壁溫度沿著管長(zhǎng)度方向不變管壁溫度沿著管長(zhǎng)度方向不變 常壁溫時(shí)，斷面流體平均溫度按對(duì)數(shù)規(guī)律變化。常壁溫時(shí)，斷面流體平均溫度按對(duì)數(shù)規(guī)律變化。Ructthdxdtmpxfwxf)(2dxRuchttttdmpxxfwxfw2)()(常壁溫時(shí)流體與壁面間的溫度差常壁溫時(shí)流體與壁面間的溫度差對(duì)數(shù)平均溫差對(duì)數(shù)平均溫差()()lnlnwfwfmwfwfttttttttttttt,;,;fwmwfwfttttttt取取常壁溫時(shí)，斷面流體平均溫度按對(duì)數(shù)規(guī)律變化。常壁溫時(shí)，斷面流體平均溫度按對(duì)數(shù)規(guī)律變化。常壁溫時(shí)常壁溫時(shí)全管長(zhǎng)流體平均溫度全管長(zhǎng)流體平均溫度 實(shí)際中實(shí)際中

12、,若非常壁溫邊界，但是若非常壁溫邊界，但是 /2tt也按常壁溫邊界處理。也按常壁溫邊界處理。3、物性場(chǎng)的影響、物性場(chǎng)的影響n黏度的影響：黏度的影響： 液體的黏度隨著溫度升高而降低；液體的黏度隨著溫度升高而降低； 氣體黏度隨著溫度升高而升高。氣體黏度隨著溫度升高而升高。n流體平均溫度相同時(shí)，加熱液體的表面?zhèn)鳠崃黧w平均溫度相同時(shí)，加熱液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于冷卻液體的。系數(shù)高于冷卻液體的。 在換熱條件下，由于管中心和靠在換熱條件下，由于管中心和靠近管壁的流體的溫度不同，從而導(dǎo)致近管壁的流體的溫度不同，從而導(dǎo)致管中各處物性存在差異。管中各處物性存在差異。如液體被冷卻：如液體被冷卻：管中心溫度高于管壁處

13、；管中心溫度高于管壁處；黏度：中心低而管壁處高；故中心處黏度：中心低而管壁處高；故中心處流速高，而壁面處流速低。流速高，而壁面處流速低。密度：中心小而管壁處大；故中心強(qiáng)密度：中心小而管壁處大；故中心強(qiáng)迫對(duì)流與自然對(duì)流同向，壁面處相反。迫對(duì)流與自然對(duì)流同向，壁面處相反。1 1、紊流換熱、紊流換熱 實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式)(4 . 0fwttn0.80.023 RePrnfffNu二、二、 管內(nèi)受迫流動(dòng)對(duì)流換熱管內(nèi)受迫流動(dòng)對(duì)流換熱 換熱計(jì)算時(shí)換熱計(jì)算時(shí), ,先計(jì)算先計(jì)算ReRe判斷流態(tài)，再選用公式；大多數(shù)計(jì)判斷流態(tài)，再選用公式；大多數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式是前人根

14、據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的算關(guān)聯(lián)式是前人根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的ft 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)度為管內(nèi)徑。特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑。)(3 . 0fwttn適用的參數(shù)范圍：適用的參數(shù)范圍：1607 . 0Pr 60/dl410Re f評(píng)價(jià)：誤差大；適用于壁面與流體溫差不很大時(shí)評(píng)價(jià)：誤差大；適用于壁面與流體溫差不很大時(shí) 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。氣體氣體50 ，水，水20，油，油10 以下。以下。0.140.81/30.023 RePrffffwNun實(shí)際上來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，

15、截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變?；?。n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(lái)考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。來(lái)考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響?；颍?/)Pr / Pr )nnfwfw推薦西得塔特公式：推薦西得塔特公式：定性溫度：流體平均溫度定性溫度：流體平均溫度 （ 按壁溫按壁溫 確定），確定），特征長(zhǎng)度：管內(nèi)徑。特征長(zhǎng)度：管內(nèi)徑。ftwtw適用的參數(shù)范圍：適用的參數(shù)范圍：167007 . 0Pr 60/dl410Re f格尼林斯基公式：格尼林斯基公式：對(duì)于氣體對(duì)于氣體0.450.80.42/30.0214(Re100)Pr1( )ffffwTdNulT對(duì)于液體對(duì)于液體40

16、.61.5,0.51.5,2300Re10fffwTPrT41.5500,0.0520,2300Re10fffwPrPrPr0.110.870.42/3Pr0.012 (Re280)Pr1( )PrffffwdNul4efdU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）非圓形截面管道）非圓形截面管道 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： f為槽道的流動(dòng)截面積；為槽道的流動(dòng)截面積；U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

17、 方法會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。方法會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。（2 2）螺旋形管）螺旋形管11.77rdR3110.3rdR（2 2）螺旋形管）螺旋形管式中：式中：R-螺旋形管曲率半徑螺旋形管曲率半徑。 dd管直徑管直徑對(duì)于液體對(duì)于液體對(duì)于氣體對(duì)于氣體螺旋形管強(qiáng)化了換熱。對(duì)此有修正系數(shù)螺旋形管強(qiáng)化了換熱。對(duì)此有修正系數(shù)換熱增強(qiáng)換熱增強(qiáng)離心力離心力二次環(huán)流垂直主流二次環(huán)流垂直主流增強(qiáng)邊界層擾動(dòng)增強(qiáng)邊界層擾動(dòng)流速和密度均以流速和密度均以0.8次冪影響次冪影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，影響最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，影響最大;管徑：管徑：在不改變流速及溫度的條件下，管徑小傳熱強(qiáng)在不改變流速及溫度的條件下，管徑小傳熱強(qiáng);圓管改成橢圓管可以

18、在保證周長(zhǎng)不變時(shí)，斷面積及管圓管改成橢圓管可以在保證周長(zhǎng)不變時(shí)，斷面積及管徑減小，換熱增強(qiáng)；徑減小，換熱增強(qiáng)；由迪圖斯由迪圖斯-貝爾特（貝爾特（Dittus-Boelter）關(guān)聯(lián)式：）關(guān)聯(lián)式：h = f (u0.8 ,0.6 ,cp0.4 ,0.8 ,0.4 ,d 0.2 )分析分析 進(jìn)口段的進(jìn)口段的h 比充分發(fā)展段的比充分發(fā)展段的h 大大 通常計(jì)算平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)公式由通常計(jì)算平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)公式由L/d 60的長(zhǎng)管的長(zhǎng)管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合得到的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合得到的。對(duì)于對(duì)于L/d 層流底層厚度層流底層厚度 時(shí)時(shí): 換熱增強(qiáng)換熱增強(qiáng) 流體在凹處出現(xiàn)渦流粗糙點(diǎn)擴(kuò)大了換熱面積流體在凹處出現(xiàn)

19、渦流粗糙點(diǎn)擴(kuò)大了換熱面積粗糙度粗糙度 60，請(qǐng)用不同的關(guān)聯(lián)式計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。，請(qǐng)用不同的關(guān)聯(lián)式計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解：常壁溫邊界條件，流體與壁面的平均溫差為解：常壁溫邊界條件，流體與壁面的平均溫差為 80288034ttt48.94Clnt /tln 8028 / 8034 fwttt=80-48.94=31.06C冷卻水的平均溫度為冷卻水的平均溫度為查物性，水在查物性，水在tf及及tw下的物性參數(shù)為：下的物性參數(shù)為：tf=31時(shí)時(shí), f0.6207 W/(mK), f=7.90410-7m2/s,Prf=5.31, f=7.866810-4N s/m2 tw=80時(shí)時(shí), w=3.55110

20、-4N s/m2。 -7f0.0126 1.8Re28700100007.904 10mfduv水在管內(nèi)的流動(dòng)為紊流。水在管內(nèi)的流動(dòng)為紊流。0.80.4fNu0.023RePr0.80.4fNu0.023287005.31.165 2用用迪圖斯迪圖斯-貝爾特貝爾特公式，液體被加熱公式，液體被加熱 20.6207165.28138.1 W / mK0.0126ffhNud0.14f0.81/ 3fwNu0.027 RePr 0.140.81/ 3f7.8668Nu0.027287005.311943.55120.62071949554.7 W / mK0.0126ffhNud用用西德西德-塔特塔

21、特公式公式 2、 一套管式換熱器，飽和蒸汽在內(nèi)管中凝結(jié)，使內(nèi)管外壁溫度保持在一套管式換熱器，飽和蒸汽在內(nèi)管中凝結(jié)，使內(nèi)管外壁溫度保持在tw=100 ，初溫為，初溫為 ，質(zhì)量流量為，質(zhì)量流量為 M=0.8 kgs的水從套管換熱器的水從套管換熱器的環(huán)形空間中流過(guò)，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層內(nèi)管外徑為的環(huán)形空間中流過(guò)，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層內(nèi)管外徑為 d1=40，外管內(nèi)徑為外管內(nèi)徑為 d2=60 ，試確定把水加熱到，試確定把水加熱到 所需的套管長(zhǎng)度。計(jì)算所需的套管長(zhǎng)度。計(jì)算中不考慮溫差修正中不考慮溫差修正。分析：分析：本題為水在環(huán)形通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問(wèn)題，要確定的是管子長(zhǎng)度，因而本題為水在環(huán)

22、形通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問(wèn)題，要確定的是管子長(zhǎng)度，因而可先假定管長(zhǎng)滿足充分發(fā)展的要求，然后再校核?？上燃俣ü荛L(zhǎng)滿足充分發(fā)展的要求，然后再校核。55ft25ft【解】【解】: wfwf/ ()10025 / 100551.72tttt故可采用算術(shù)平均溫差作為定性溫度故可采用算術(shù)平均溫差作為定性溫度f(wàn)ff11()(2555)40 C22ttt7262ffpff0.635W/(m K),6.59 10m /s,4.174kJ/(kg K),653.3 10N s/mPr4.31cf56.5 C10056.543.5 Ctmt所以所以:214mef622ff21ff21440.81.559 10653.3

23、 100.060.044 M ddu dMRedddd假定管長(zhǎng)滿足充分發(fā)展的要求，假定管長(zhǎng)滿足充分發(fā)展的要求， 則則0.80.440.80.42fffffee0.6350.0230.023 (1.559 10 )(4.31)2962W/(mK)0.02hNuRePrdd換熱量：換熱量：kW18.100255541748 . 0ffp ttMc而而mwmwttdLhtthA所以，所以，m49.44010004.02962100018.100mwttdhL60224/edL當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑:2221e2121()4604020mm()ddfdddUdd因?yàn)閙22f214Mudd6-2 6-2 外掠

24、圓管對(duì)流換熱外掠圓管對(duì)流換熱1. 外掠單管時(shí)邊界層的發(fā)展與演變外掠單管時(shí)邊界層的發(fā)展與演變n從前面各章節(jié)的討論已經(jīng)知道，對(duì)流換熱時(shí)流體與壁面從前面各章節(jié)的討論已經(jīng)知道，對(duì)流換熱時(shí)流體與壁面之間之間換熱的強(qiáng)弱換熱的強(qiáng)弱，與壁面上形成的，與壁面上形成的邊界層密切相關(guān)邊界層密切相關(guān)，隨，隨著邊界層的增厚和演變，壁面上各點(diǎn)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也著邊界層的增厚和演變，壁面上各點(diǎn)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也將有相應(yīng)的變化。在外掠單管和管束流動(dòng)時(shí)，這種相關(guān)將有相應(yīng)的變化。在外掠單管和管束流動(dòng)時(shí)，這種相關(guān)變化特別明顯。變化特別明顯。n我們首先討論我們首先討論橫掠單管橫掠單管時(shí)流體在管外壁面附近的時(shí)流體在管外壁面附近的流動(dòng)速流動(dòng)

25、速度度、壓力壓力以及以及邊界層邊界層情況。情況。 橫掠單管：橫掠單管：流體沿著流體沿著垂直于管子軸線垂直于管子軸線的方向流過(guò)管子表面。流動(dòng)具有的方向流過(guò)管子表面。流動(dòng)具有邊界邊界層特征層特征，會(huì)發(fā)生，會(huì)發(fā)生繞流脫體繞流脫體。實(shí)例實(shí)例：刮風(fēng)時(shí)空氣掠過(guò)鍋爐房的煙囪外表面，空氣與煙囪表面對(duì)流換熱。刮風(fēng)時(shí)空氣掠過(guò)鍋爐房的煙囪外表面，空氣與煙囪表面對(duì)流換熱。一、外掠單管一、外掠單管212222211122LPrZPrZP光滑管段時(shí)：光滑管段時(shí)：CrZP22111分析：分析：后流動(dòng)面積先后先Z后先后先P0dxdp前0dxdp后消耗靜壓驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)消耗靜壓驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)只能靠消耗本身的動(dòng)能來(lái)克服靜壓增只能靠消

26、耗本身的動(dòng)能來(lái)克服靜壓增加，并驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)加，并驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)流速減小流速減小停止流動(dòng)停止流動(dòng)逆向流動(dòng)逆向流動(dòng)脫體現(xiàn)象脫體現(xiàn)象脫體點(diǎn)后流動(dòng)：脫體點(diǎn)后流動(dòng)： ()0wuy 脫體點(diǎn)后，壁面附近的流體就不能繼續(xù)向后流動(dòng)，邊界層脫體點(diǎn)后，壁面附近的流體就不能繼續(xù)向后流動(dòng)，邊界層內(nèi)靠近壁面的流體出現(xiàn)內(nèi)靠近壁面的流體出現(xiàn)倒流倒流，向前、向后的流體將形成，向前、向后的流體將形成流動(dòng)的流動(dòng)的漩渦漩渦，邊界層與固體壁面相脫離，邊界層與固體壁面相脫離 。 Re 1.5105層流：脫體發(fā)生在層流：脫體發(fā)生在80 850處處Re 1.5105：紊流，脫體在：紊流，脫體在1400處處; Re 20時(shí)：時(shí)：排數(shù)排數(shù) 20,

27、 應(yīng)采用排數(shù)修正系數(shù)應(yīng)采用排數(shù)修正系數(shù)z排數(shù)排數(shù)1234568121620叉排叉排0.690.800.860.900.930.950.960.980.991.0順排順排0.620.760.840.880.920.950.960.980.991.0 流體橫掠管束時(shí)，前排管子后部的漩渦區(qū)，對(duì)于后面流體橫掠管束時(shí)，前排管子后部的漩渦區(qū)，對(duì)于后面管子表面邊界層會(huì)有一定的影響，直到管子表面邊界層會(huì)有一定的影響，直到20排以上才能消失。排以上才能消失。沿流動(dòng)方向擾動(dòng)逐漸增加，換熱逐漸增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)多排管子沿流動(dòng)方向擾動(dòng)逐漸增加，換熱逐漸增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)多排管子后才趨于穩(wěn)定。在沿著流動(dòng)方向管子的排數(shù)比較少時(shí)，必后才趨

28、于穩(wěn)定。在沿著流動(dòng)方向管子的排數(shù)比較少時(shí)，必須考慮前排流動(dòng)不穩(wěn)定對(duì)于換熱的影響，這種影響隨著管須考慮前排流動(dòng)不穩(wěn)定對(duì)于換熱的影響，這種影響隨著管排數(shù)的多少而不同。所以我們引入排數(shù)的多少而不同。所以我們引入管排修正系數(shù)管排修正系數(shù)z，把它與，把它與基本實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算出的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相乘?；緦?shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算出的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相乘。 水橫向掠過(guò)水橫向掠過(guò)5排叉排管束，管束中最窄截面處流速排叉排管束，管束中最窄截面處流速u=4.87m/s， 平均溫度平均溫度tf=20.2，壁溫，壁溫tw=25.2， 管間距管間距12ss1.25ddd = 19 mm, 求水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。求水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。5-7f4

29、.87 0.019Re9197810109 9 判斷；判斷；4 4、層流時(shí)，換熱熱阻主要取決于薄層的厚度。層流時(shí)，換熱熱阻主要取決于薄層的厚度。 hxhx沿壁面隨厚度的增加逐漸降低，沿壁面隨厚度的增加逐漸降低，旺盛湍流旺盛湍流時(shí)，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量時(shí)，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量。3. 3. 無(wú)限空間自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式無(wú)限空間自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)式：關(guān)聯(lián)式：Nu=C（GrPr）n=CRa (6-16)式中式中：定性溫度：邊界層定性溫度：邊界層平均溫度平均溫度t m=(tw+tf)/2 定型尺寸：豎直平壁、豎直圓筒取定型尺寸：豎直平壁、豎直圓筒取高度高度h，水平圓筒，水平圓筒直徑直徑d。

30、32gtlGr-容積膨脹系數(shù)，對(duì)于符合理想氣體性質(zhì)的氣體（空氣），容積膨脹系數(shù)，對(duì)于符合理想氣體性質(zhì)的氣體（空氣），=1/Tm，1/K。 液體和蒸汽查取物性表。液體和蒸汽查取物性表。 t f- 沒(méi)有受到壁面影響的流體主體溫度。沒(méi)有受到壁面影響的流體主體溫度。 t w 壁面溫度。壁面溫度。浮升力與粘性力的相對(duì)大小浮升力與粘性力的相對(duì)大小Gr 越大，浮升力的相對(duì)作用越大，自然對(duì)流越強(qiáng)越大，浮升力的相對(duì)作用越大，自然對(duì)流越強(qiáng)Pr GrRa瑞利準(zhǔn)則：瑞利準(zhǔn)則：壁面形狀位壁面形狀位置及邊界條置及邊界條件件流動(dòng)情況流動(dòng)情況示意圖示意圖C、n定型尺寸定型尺寸GrPr適用范圍適用范圍流態(tài)流態(tài)Cnt w =co

31、nst豎豎平板及平板及豎圓豎圓柱柱,平均平均Nu層流層流紊流紊流0.590.111/41/3高度高度h1041091091013層流層流紊流紊流0.60.171/51/4局部點(diǎn)的局部點(diǎn)的高度高度x10510112*10131016qw=const,豎豎平板及平板及豎圓豎圓柱柱,局部局部Nut w w =const的的水平圓柱水平圓柱層流層流紊流紊流1.020.850.480.1250.1480.1880.251/3直徑直徑d10-21021021041041071071012壁面形狀位壁面形狀位置及邊界條置及邊界條件件流動(dòng)情況流動(dòng)情況示意圖示意圖C、n定型尺寸定型尺寸適用范圍適用范圍Gr Pr

32、流態(tài)流態(tài)Cnt w =const水水平板熱面朝平板熱面朝上或冷面朝上或冷面朝下下,平均平均Nu層流層流紊流紊流0.540.151/41/3矩形取兩矩形取兩邊長(zhǎng)的平邊長(zhǎng)的平均值均值,非非規(guī)則形取規(guī)則形取面積與周面積與周長(zhǎng)之比長(zhǎng)之比,圓盤(pán)取圓盤(pán)取0.9d1041071071011t w =const水水平板熱面朝平板熱面朝下或冷面朝下或冷面朝上上,平均平均Nu層流層流0.581/5同上同上1051011對(duì)于對(duì)于常熱流常熱流邊界條件下的自然對(duì)流，往往采用較方便的專用形邊界條件下的自然對(duì)流，往往采用較方便的專用形式：式： 式中：定性溫度取平均溫度式中：定性溫度取平均溫度 。 按此式整理的豎平板或豎圓管

33、散熱的結(jié)果示于表按此式整理的豎平板或豎圓管散熱的結(jié)果示于表(6-4)(6-4)。*(Pr)(617)nxxNuC Gr mt 334*222gtLhLgtLqLgqLGrGrNut1 1、對(duì)于垂直圓筒、豎圓柱滿足下式，按垂直平壁計(jì)算：、對(duì)于垂直圓筒、豎圓柱滿足下式，按垂直平壁計(jì)算：1/ 435HdHGr2. 常熱流密度時(shí)常熱流密度時(shí)關(guān)于表關(guān)于表6-4的說(shuō)明的說(shuō)明否則，需修正！否則，需修正！TsT冷面朝上冷面朝上TsT熱面朝上熱面朝上TsT熱面朝下熱面朝下3、冷面和熱面、冷面和熱面丘吉爾和朱在整理大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了豎丘吉爾和朱在整理大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了豎壁和水平圓筒的自然對(duì)流換熱準(zhǔn)

34、則關(guān)聯(lián)式壁和水平圓筒的自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式1/629/16 8/27120.3870.8251 (0.492/Pr)6-19: 0.1Ra10 RaNu豎壁：（）適用范圍 1/ 629 /168 / 27-5110.3870.601(0.559 / Pr)(620)10:Ra0 1 RaNu 水 平 圓 管 ： 適 用 范 圍說(shuō)明：自?；F(xiàn)象說(shuō)明：自模化現(xiàn)象展開(kāi)關(guān)聯(lián)式（展開(kāi)關(guān)聯(lián)式（6-16）后，兩邊的定型尺寸可以消去，它）后，兩邊的定型尺寸可以消去，它表明自然對(duì)流紊流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型尺寸無(wú)關(guān)，該表明自然對(duì)流紊流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型尺寸無(wú)關(guān)，該現(xiàn)象稱為自?；F(xiàn)象。因此，紊流換熱實(shí)驗(yàn)可以采用較現(xiàn)象稱為自?；F(xiàn)象。因此，紊流換熱實(shí)驗(yàn)可以采用較小尺寸的物體進(jìn)行，只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象小尺寸的物體進(jìn)行，只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 的處于紊流的處于紊流范圍。范圍。 PrGr1、水平蒸汽輸送管外徑、水平蒸汽輸送管外徑d=0.3m，tw=450，環(huán)境溫度，環(huán)境溫度tf=30 ，試求每米長(zhǎng)管子的自然對(duì)流散熱損失。，試求每米長(zhǎng)管子的自然對(duì)流散熱損失。解：水平圓管常壁溫自然對(duì)流換熱問(wèn)題。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則:判斷處于紊流區(qū)。查表選用公式：C=0.125；n=1/37231044. 9PrPr)(tdgGr31Pr