傳熱學(xué)課件第六章 單相流體對(duì)流換熱

第六章單相流體對(duì)流換熱及準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱第二節(jié)外掠圓管對(duì)流換熱第三節(jié)自然對(duì)流換熱

作業(yè)第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）1.進(jìn)口段與充分發(fā)展段1>.對(duì)于流動(dòng)狀態(tài)：由Re=umd/判斷一般：Re<2300管內(nèi)流動(dòng)為層流

Re>104

管內(nèi)流動(dòng)為旺盛紊流2300<Re<104

管內(nèi)流動(dòng)為過渡狀態(tài)

流動(dòng)進(jìn)口段：從管口開始到流動(dòng)狀志定型之間的距離。此時(shí)：u=f（x,r）

流動(dòng)充分發(fā)展段：進(jìn)口段后，流態(tài)定型，流動(dòng)已得到充分發(fā)展。此時(shí)：

r=0；u/x=0，但u/y≠0。第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）1.進(jìn)口段與充分發(fā)展段2>.對(duì)于換熱狀態(tài)熱進(jìn)口段：與流動(dòng)邊界層相類似，自管口開始經(jīng)一段距離后，熱邊界層閉合，換熱狀態(tài)達(dá)到定型的這段距離。

熱充分發(fā)展段：熱進(jìn)口段后，換熱狀態(tài)定型，已經(jīng)得到充分發(fā)展，故稱為～。熱充分發(fā)展段后，因流體不斷換熱，流體斷面平均溫度tf隨x是不斷變化的，但分析證明，無因次溫度（tw-t）/（tw-tf）將保持不變，即：

第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱由于無因次溫度不隨x發(fā)生變化，僅是r的函數(shù)，故對(duì)無因次溫度求導(dǎo)后再令r=R，則上式顯然應(yīng)等于一常數(shù)。又據(jù)傅里葉定律：q=-（t/r）r=R及牛頓冷卻公式：q=h（tw-tf），上式變?yōu)椋阂弧⒍ㄐ苑治觯ɑ靖拍睿?.進(jìn)口段與充分發(fā)展段2>.對(duì)于換熱狀態(tài)將上述無因次溫度對(duì)r求導(dǎo)后且令r=R時(shí)有：上式表明：常物性流體在熱充分發(fā)展段換熱系數(shù)h保持不變。這是熱充分發(fā)展段的重要特性。第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）2>.對(duì)于換熱狀態(tài)Re<2300層流狀態(tài)x/dhhhx入口段充分發(fā)展段x↑→↑→hx↓，當(dāng)=R后，因=R不變，x↑→hx不變。hx→不變時(shí)距離，即進(jìn)口段長(zhǎng)度參見式3a、3b。第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）2>.對(duì)于換熱狀態(tài)Re>104紊流入口段充分發(fā)展段x/dh∞hhhxx↑→（層流）↑→hx↓，x↑↑→邊界層轉(zhuǎn)入紊流→c↓→hx↑，x↑↑↑→c不變而↑→hx↓，x↑↑↑↑→c不變且=R→hx不變。此時(shí)hx不變的距離（即進(jìn)口段長(zhǎng)度）：L/d=10～45第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）1.進(jìn)口段與充分發(fā)展段3>.長(zhǎng)管與短管一般當(dāng)L/d≥60時(shí)，稱為長(zhǎng)管，否則按短管計(jì)算。4>.Pr數(shù)與流動(dòng)、熱進(jìn)口段長(zhǎng)度的關(guān)系流動(dòng)進(jìn)口段與熱進(jìn)口段不一定相等。只有當(dāng)Pr=1時(shí)兩者才相等。當(dāng)Pr=/>1時(shí)，相同的x處，>t，→達(dá)到同樣的尺寸R時(shí)，流動(dòng)邊界層快些，即流動(dòng)邊界比熱邊界層更快地管中心線閉合，此時(shí)，流動(dòng)進(jìn)口段比熱進(jìn)口段短。當(dāng)Pr=/<1時(shí)，情形正好與Pr>1時(shí)相反，此時(shí)，流動(dòng)進(jìn)口段比熱進(jìn)口段長(zhǎng)。第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱

另外，不同斷面具有不同的tf值，即tf隨x變化，變化規(guī)律與邊界條件有關(guān)。一、定性分析（基本概念）2.定性參數(shù)1>.管內(nèi)流體平均速度um2>.管內(nèi)流體平均溫度第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）2.定性參數(shù)2>.管內(nèi)流體平均溫度①常熱流通量邊界條件：如圖，此時(shí)：tw>tf

經(jīng)分析：充分發(fā)展段后：

tf呈線性規(guī)律變化

tw也呈線性規(guī)律變化此時(shí)，管內(nèi)流體的平均溫度為：進(jìn)口段充分發(fā)展段txtw/tf/tw//tf//其中：tf/、tf//分別為進(jìn)出口斷面流體的平均溫度。為方便起見，一般仍將全管流體的平均溫度記作tf。第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱一、定性分析（基本概念）2.定性參數(shù)2>.管內(nèi)流體平均溫度②常壁溫邊界條件：設(shè)進(jìn)出口溫差分別為△t/、△t/。經(jīng)分析有：表明tf隨x呈對(duì)數(shù)規(guī)律變化。txtw=Consttf/tf//△t/△t//此時(shí)tw>tftf（x）a.若△t//△t//<2，則：tf=（tf/+tf//）/2b.若△t//△t//≥2，則：tf=tw±△tm其中：第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱

加熱氣體或冷卻液體一般有：

↑→曲線1變成2→邊界層加厚→h↓

冷卻氣體或加熱液體一般有：

↓→曲線1變成3→邊界層變薄→h↑

另外：t變化會(huì)引起、、cp等變化→h產(chǎn)生波動(dòng)。4.管子幾何特征的影響：彎曲管、非圓形管、粗糙管等，因流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生二次環(huán)流等因素，一般使h變大?！?、定性分析（基本概念）3.物性場(chǎng)不均勻的影響第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱二、管內(nèi)受迫對(duì)流換熱計(jì)算（實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式）1.紊流換熱：參見教材，注意定型尺寸、定性溫度和適用范圍。

式6-4a可寫成：h=0.023u0.80.6cp0.40.8-0.4d-0.2即：h=f（u0.8、0.6、cp0.4、0.8、-0.4、d-0.2）

到此，找到了h與各影響因素間具體的函數(shù)表達(dá)式!!!2.層流換熱：參見教材，注意定型尺寸、定性溫度和適用范圍。3.過渡流換熱：見教材，注意定型尺寸、定性溫度和適用范圍。4.粗糙管壁換熱：（前章已講）參見教材，現(xiàn)補(bǔ)充：當(dāng)流動(dòng)為紊流可發(fā)現(xiàn)：ks/D↑→f↑→h↑，于是在進(jìn)行換熱設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，采用↑ks/D，可減少換熱面積→節(jié)省設(shè)備初投資，但由于此時(shí)f↑→風(fēng)機(jī)或泵耗功↑→↑運(yùn)行費(fèi)用。

當(dāng)流動(dòng)為層流時(shí)，↑ks/D或↓ks/D→f不變→h不變。第二節(jié)外掠圓管對(duì)流換熱y面左側(cè)：du/dx>0

據(jù)伯努里方程：

zg+p/+u2/2=Constdp/dx<0

y面右側(cè)：dp/dx>0

由于P↑，迫使近壁流體回流?！鷾u流→繞流脫體。繞流脫體起點(diǎn)：du/dy=0處。當(dāng)Re≤1.5×105時(shí)，層流，開始隨↑→h↓，到達(dá)分離點(diǎn)（=82～85°左右），發(fā)生繞流脫體→h↑；

當(dāng)Re≥1.5×105時(shí)，慣性力大，分離點(diǎn)后移至=140°左右，分離點(diǎn)前h的變化同紊流邊界層，分離點(diǎn)后h又開始回升。分離區(qū)pu∞y面一、外掠單管第二節(jié)外掠圓管對(duì)流換熱相同情況下，順排的換熱效果差。要達(dá)到相同的換熱效果時(shí)，順排的泵、風(fēng)機(jī)功耗小，但所需換熱設(shè)備的面積大，故應(yīng)綜合考慮排管方式，以達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益。另在選取流速時(shí)，因q∝u0.6～0.8，而泵、風(fēng)機(jī)功耗W∝u3，故單純從經(jīng)濟(jì)效益看，低流速可獲較高的經(jīng)濟(jì)利益。但u↓→換熱面積↑→初投資↑，故存在一最佳經(jīng)濟(jì)流速。順排管束叉排管束二、外掠管束第三節(jié)自然對(duì)流換熱一、無限空間自由流動(dòng)換熱（大空間自然對(duì)流）

指熱（冷）表面的四周沒有其它阻得自由對(duì)流的物體存在。一般準(zhǔn)則方程式可整理成：Nu=f（Gr·Pr）

一般Gr·Pr>109時(shí)為紊流，否則為層流。對(duì)于常壁溫的自由流動(dòng)換熱，其準(zhǔn)則方程式常可整理成：Num=C（Gr·Pr）mnC、n可參見表6=5，注意使用范圍、定型尺寸、定性溫度。令：Ra=Gr·PrRa為瑞利準(zhǔn)則數(shù)。既適用常壁溫也適用常熱流邊界的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則方程式，常見的為邱吉爾（Churchill）和朱（Chu）總結(jié)的式6-19，20。第三節(jié)自然對(duì)流換熱二、有限空間中的自然對(duì)流換熱流體的流動(dòng)受周圍物體的制約。如雙層玻璃窗內(nèi)空氣的自然對(duì)流。當(dāng)tw1>tw2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二次環(huán)流。tw1tw2h換熱為自由流動(dòng)換熱和導(dǎo)熱綜合作用。引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)e，則可有：?？烧沓蓽?zhǔn)則方程式形式：式中：定性溫度為tm=（tw1+tw2）/2

定型尺寸為：

C、m、n見表6-6第三節(jié)自然對(duì)流換熱

e/=Nu

故e/即為有限空間自由對(duì)流換熱的努謝爾特?cái)?shù)。另外一般地說：對(duì)于：水平夾層：Gre<1700時(shí)垂直夾層：Gre<2000時(shí)均作純導(dǎo)熱處理二、有限空間中的自然對(duì)流換熱據(jù)牛頓冷卻公式：q=he（tw1-tw2）he為當(dāng)量對(duì)流換熱系數(shù)?？筛膶懗桑汗视校捍藭r(shí)可認(rèn)為夾層內(nèi)無環(huán)流產(chǎn)生。第三節(jié)自然對(duì)流換熱當(dāng)Gr/Re2≥10時(shí)：作純自由流動(dòng)