對(duì)流換熱部分習(xí)題

1、v例一：對(duì)流換熱邊界層微分方程組是否適用于粘性很大的油和Pr數(shù)很小的液體金屬？為什么？v解：對(duì)于粘度很大的油類，Re數(shù)很低，速度邊界層厚度與x為同一數(shù)量級(jí)，因而動(dòng)量微分方程中 與 為同一量級(jí)，不可忽略，且此時(shí)由于xxv速度u和v為同一量級(jí)，y方向的動(dòng)量微分方程不能忽略。v對(duì)于液態(tài)金屬，Pr很小，速度邊界層厚度與溫度邊界層厚度相比，速度邊界層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度邊界厚度，在邊界層內(nèi) ，因而能量方程中 不可忽略。v因此，對(duì)流換熱邊界層微分方程組不適用于粘度大的油和Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬。22ux22uy2222ttxy22txv例二：對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱？v解：采用短

2、管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口端邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的入口效應(yīng)，從而強(qiáng)化換熱。而對(duì)于彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增強(qiáng)了擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了換熱。v例三：其他條件相同時(shí)，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個(gè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？v解：橫向沖刷時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因?yàn)榭v向沖刷時(shí)相當(dāng)于外涼平板的流動(dòng)，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時(shí)熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的漩渦，增加了流體的擾動(dòng)，因而換熱強(qiáng)。v例四：在地球表面某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)的自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)，到太空中是否仍然有效，為什么？v解：該實(shí)驗(yàn)到太空中無(wú)法得到地面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)樽匀粚?duì)流是由流體

3、內(nèi)部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中實(shí)驗(yàn)裝置將處于失重狀態(tài)，因而無(wú)法形成自然對(duì)流，所以無(wú)法得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。v例五：對(duì)有限空間的自然對(duì)流換熱，有人經(jīng)過(guò)計(jì)算得出其Nu數(shù)為0.5。請(qǐng)利用所學(xué)過(guò)的傳熱學(xué)知識(shí)判別這個(gè)結(jié)果的正確性。絕熱絕熱t(yī)htcv解：以如圖所示的有限空間自然對(duì)流為例。如果方腔內(nèi)的空氣沒(méi)有對(duì)流，僅存在導(dǎo)熱，則v此時(shí)當(dāng)量的對(duì)流換熱量可按下式計(jì)算v由于以上兩式： 即Nu1v即方腔內(nèi)自然對(duì)流完全忽略時(shí)，依靠純導(dǎo)熱的Nu數(shù)將等于1，即Nu數(shù)的最小值為1，不會(huì)小于1，所以上述結(jié)果是不正確的。hcttq hcqh tt1hv例六：電影泰坦尼克號(hào)里，男主人公杰克在海水里被凍死

4、而女主人公羅絲卻躺在筏上而幸存下來(lái)。試從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)解釋這一現(xiàn)象。v解：杰克在海水里身體與海水間由于自然對(duì)流交換熱量，而羅絲在筏上其身體與空氣之間產(chǎn)生自然對(duì)流。在其他條件相同時(shí)，水的自然對(duì)流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于空氣，因此杰克身體由于自然對(duì)流散失能量的速度比羅絲快得多。因此杰克被凍死而羅絲卻幸免于難。v例七：一幫情況下粘度大的流體其Pr數(shù)也較大。由對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式Nu=CRemPrn可知（m0,n0），Pr數(shù)越大，Nu數(shù)也越大，從而h也越大。即粘度大的流體其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也越高。這與經(jīng)驗(yàn)得出的結(jié)論相反，為什么？v解：粘度越高時(shí)，Pr數(shù)越大，但Re數(shù)越小。由v一般情況下，對(duì)流換熱mn，即n-m0）。從而

5、h減小。413213. 1wslllttlgrhv例九：為什么蒸氣中含有不凝結(jié)氣體會(huì)影響凝結(jié)換熱的強(qiáng)度？v解：不凝結(jié)氣體的存在，一方面使凝結(jié)表面附近蒸氣的分壓力降低，從而蒸氣飽和溫度降低，使傳熱驅(qū)動(dòng)力即溫差減??；另一方面凝結(jié)蒸氣穿過(guò)不凝結(jié)氣體層到達(dá)壁面依靠的是擴(kuò)散，從而增加了阻力。上述兩個(gè)方面的原因使不凝結(jié)氣體存在大大降低了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，使換熱量降低。所以實(shí)際冷凝器中要盡量降低并排除不凝結(jié)氣體。v例十：空氣橫掠管束時(shí)，沿流動(dòng)方向管排數(shù)越多，換熱越強(qiáng)，而蒸氣在水平管束外凝結(jié)時(shí)，沿液膜流動(dòng)方向管束排數(shù)越多，換熱強(qiáng)度降低。試對(duì)上述現(xiàn)象作出解釋。v解：空氣外掠管束時(shí)，沿流動(dòng)方向管排數(shù)越多，氣流擾動(dòng)增加

6、，換熱越強(qiáng)。而蒸氣在管束外凝結(jié)時(shí)，沿液膜流動(dòng)方向排數(shù)越多，凝結(jié)液膜越來(lái)越厚，凝結(jié)傳熱熱阻越來(lái)越大，因而換熱強(qiáng)度降低。v例十一：在電廠動(dòng)力冷凝器中，主要冷凝介質(zhì)是水蒸汽，而在制冷劑的冷凝器中，冷凝介質(zhì)是氟利昂蒸氣。在工程實(shí)際中，常常要強(qiáng)化制冷設(shè)備中的凝結(jié)換熱，而對(duì)電廠動(dòng)力設(shè)備一般無(wú)需強(qiáng)化。試從傳熱角度加以解釋。v解：相變對(duì)流換熱主要依靠潛熱傳遞熱量，而氟利昂的汽化潛熱只有水的約1/10，因此電廠動(dòng)力冷凝器中水蒸氣的凝結(jié)表面換熱系數(shù)很大，凝結(jié)側(cè)熱阻不占主導(dǎo)地位。而制冷設(shè)備中氟利昂蒸氣的凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，主要熱阻往往在凝結(jié)側(cè)，因而其強(qiáng)化就有更大現(xiàn)實(shí)意義。v例十二：試從沸騰過(guò)程分析，為什么用電加熱

7、器加熱時(shí)加熱功率 時(shí)易發(fā)生壁面被燒毀的現(xiàn)象，而采用蒸氣加熱則不會(huì)？maxqq v解：用電加熱時(shí)，加熱方式是控制表面的熱流密度。而采用蒸氣加熱則是壁面溫度可控制的情形。由大容器飽和沸騰曲線可知，當(dāng)加熱功率q超過(guò)qmax值時(shí)，工況將沿qmax虛線v跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰v線，使壁面溫度v飛升，導(dǎo)致設(shè)備v燒毀。燒毀點(diǎn)qmaxv4個(gè)不同的區(qū)域個(gè)不同的區(qū)域v1、單相自然對(duì)流區(qū)域。此時(shí)、單相自然對(duì)流區(qū)域。此時(shí)t4。在加熱表面上沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。在加熱表面上沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。v2、核態(tài)沸騰區(qū)域。此時(shí)、核態(tài)沸騰區(qū)域。此時(shí)4t25，在加熱表面上產(chǎn)生氣泡，換熱，在加熱表面上產(chǎn)生氣泡，換熱溫差小，且產(chǎn)生氣泡的速度小于氣泡脫離加熱

8、表面的速度，氣泡的劇烈溫差小，且產(chǎn)生氣泡的速度小于氣泡脫離加熱表面的速度，氣泡的劇烈擾動(dòng)使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱流密度都急劇增大，汽化核心對(duì)換熱起決定性擾動(dòng)使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱流密度都急劇增大，汽化核心對(duì)換熱起決定性作用，一般工業(yè)應(yīng)用都設(shè)計(jì)在這一范圍。作用，一般工業(yè)應(yīng)用都設(shè)計(jì)在這一范圍。v3、過(guò)渡沸騰區(qū)域。此時(shí)、過(guò)渡沸騰區(qū)域。此時(shí)25t200，在加熱表面上形成穩(wěn)定的汽膜，在加熱表面上形成穩(wěn)定的汽膜層，相變過(guò)程不是發(fā)生在壁面上，而是在汽液界面上，但由于蒸氣的導(dǎo)層，相變過(guò)程不是發(fā)生在壁面上，而是在汽液界面上，但由于蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液體的導(dǎo)熱系數(shù)，因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大大降低。而此時(shí)壁熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液體的導(dǎo)熱

9、系數(shù)，因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大大降低。而此時(shí)壁面溫度遠(yuǎn)高于液體飽和溫度，因此須考慮汽膜內(nèi)的輻射換熱，所以換熱面溫度遠(yuǎn)高于液體飽和溫度，因此須考慮汽膜內(nèi)的輻射換熱，所以換熱強(qiáng)度又能有所提高。強(qiáng)度又能有所提高。v什么叫臨界熱流密度?為什么當(dāng)加熱熱流大于臨界熱流密度時(shí)會(huì)出現(xiàn)沸騰危機(jī)?v(1)沸騰過(guò)程中，隨著壁面過(guò)熱度t的增大，存在自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰四個(gè)階段，臨界熱流密度是從核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的最大熱流密度；(2)當(dāng)加熱熱流大于臨界熱流密度時(shí)，沸騰工況向膜態(tài)沸騰過(guò)渡，加熱面上有汽泡匯集形成汽膜，將壁面與液體隔開(kāi)，由于汽膜的熱阻比液體大得多，使換熱系數(shù)迅速下降，傳熱惡

10、化；(3)汽膜的存在使壁溫急劇升高，若為控制熱流加熱設(shè)備，如電加熱設(shè)備，則一旦加熱熱量大于臨界熱流密度，沸騰工況從核態(tài)沸騰飛躍到穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，壁溫飛升到1000以上(水)，使設(shè)備燒毀。）v層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)是否總是小于湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)?為什么?v在入口段邊界層厚度從零開(kāi)始增厚，v若采用短管，盡管處于層流工況，由于邊界層較薄，對(duì)流換熱系數(shù)可以大于紊流狀況。定量計(jì)算v例一：15的水以3m/s的速度流過(guò)一平板，試計(jì)算距平板前緣5cm處的邊界層的質(zhì)量流量。水 3mls155cmuv解：對(duì)于溫度為15的水，其物性參數(shù)為：v 1.13*10-3kg/(m.s) 999.8kg/m3v當(dāng)x=5cm時(shí)，

11、對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為v小于Rec5*105，故為層流流動(dòng)，邊界層厚度為：v如層流邊界層內(nèi)的速度分布為v則邊界層內(nèi)的質(zhì)量流量為53999.8 3 0.05Re1.33 101.13 10 xu x 4115224.644.64 0.056.37 10 mRe(1.33 10 )xxx 33122uyyu051.194kg/s8mudyu v例二：對(duì)于掠過(guò)平板的流動(dòng)，應(yīng)用線性速度分布v v作為x的函數(shù)，試導(dǎo)出邊界層厚度的表達(dá)式。uyuuu（x）v解：對(duì)于平板，邊界層動(dòng)量積分方程式v將 代入后可得v積分后得00wyduuu udydxy uyu200166 ydduu udyudxdxuuddxyu 22

12、11221212Re123.46ReRexxxxxuxx v例三：20kN/m2、5的空氣以1.5m/s的速度進(jìn)入一個(gè)直徑為2.5cm的圓管，試應(yīng)用平板的分析，計(jì)算從進(jìn)口到流動(dòng)充分發(fā)展的距離。r0ruX=?D=2.5cm空氣1.5mls520kN/m2v解：在T5278K時(shí)，空氣的密度v空氣的粘度系數(shù)v 對(duì)于平板，由動(dòng)量積分方程可以得到下述近似解v上式可以寫(xiě)作v將平板公式用于圓管，令d/2，則可求出入口段長(zhǎng)度432 100.2507kg/m287287pRT 51.864 10 kg/(m s) 1212124.64ReRe4.644.64xxxu xx24.64ux22250.2507 1.

13、5 0.0250.1464m2 4.641.864 102 4.64udxv例四：在1個(gè)大氣壓下，溫度為30的空氣以45m/s的速度掠過(guò)長(zhǎng)為0.6m、壁溫為250的平板。試計(jì)算單位寬度的平板傳給空氣的總熱量、層流邊界層區(qū)域的換熱量和湍流邊界層區(qū)域的換熱量。v解：在tm(tw+tf)/2=(250+30)/2=140時(shí)，空氣的物性參數(shù)為：3.49*10-2W/(m.)；27.8*10-6m2/s;Pr=0.684。于是v由5-42b得：v單位寬度的平板傳給空氣的總熱量為55645 0.6Re9.71 105 1027.8 10mul 415310.8630.037Re871 Pr 0.0379.

14、71 108710.684 1260mNu 223.49 10126073.29/0.6hNuWml73.29 1 0.6250309647WwfQF tt hv臨界雷諾數(shù)Rec=5*105，所以由層流邊界層向湍流邊界層過(guò)渡的臨界長(zhǎng)度為v在層流邊界層區(qū)域，由式5-30得v單位寬度平板和空氣的換熱量為v在湍流邊界層區(qū)域，單位寬度平板和空氣的換熱量為Re0.309cclmu1111523320.664RePr0.6645 100.684413.69Nu 246.72W/ mchNuCl46.72 1 0.309250303176WlwfQF tt h967431766498WtlQQQv應(yīng)用舉例v例題例題5-1 離心力場(chǎng)作用下多孔介質(zhì)物料層中的強(qiáng)制對(duì)流換熱離心力場(chǎng)作用下多孔介質(zhì)物料層中的強(qiáng)制對(duì)流換熱如圖所示，溫度為如圖所示，溫度為 流速為流速為U0的流體，流經(jīng)溫度均勻的固的流體，流經(jīng)溫度均勻的固體顆粒層，顆粒層厚度為體顆