-對(duì)流傳熱的理論基礎(chǔ)與工程計(jì)算2課件

§5-5管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式一、綜述管內(nèi)單相流體強(qiáng)迫對(duì)流傳熱的熱流量1、流態(tài)及判斷用雷諾數(shù)Re判別層流：Re<Rec=2200過渡流：Re=2300~104

紊流：Re>104§5-5管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式一、綜述由牛頓冷卻公式，管內(nèi)單相流體強(qiáng)迫對(duì)流傳熱的熱流量2、流動(dòng)邊界層的形成與發(fā)展流體進(jìn)入管口后，開始形成邊界層，并隨流向逐漸增厚。在穩(wěn)態(tài)下，管中心流速將隨邊界層的增厚而增加，經(jīng)過一段距離，管壁兩側(cè)的邊界層將在管中心匯合，厚度等于管半徑，同時(shí)管斷面流速分布和流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到定型，這一段距離通稱流動(dòng)進(jìn)口段。之后，流態(tài)定型，流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展，稱為流動(dòng)充分發(fā)展段。3、換熱特征

在Pr＝1情況下，當(dāng)流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展時(shí)，換熱也進(jìn)入熱充分發(fā)展段，無因次溫度分布達(dá)到定型，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)保持不變。在進(jìn)口處，邊界層最薄，hx具有最高值，隨后降低。在層流情況下，hx趨于不變值的距離較長(zhǎng)。在紊流情況下，當(dāng)邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱螅琱x將有一些回升，并迅速趨于不變值。入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。

層流入口段長(zhǎng)度:湍流時(shí):層流湍流二、管內(nèi)湍流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱

定性溫度采用流體平均溫度tf；特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑di；特征流速υf。

流體被加熱時(shí)，n=0.4；流體被冷卻時(shí)，n=0.3

適用條件：溫差范圍：油＜10，水＜20，氣體＜50長(zhǎng)、直管（1）溫度的影響ct液體：主要是粘性隨溫度而變化氣體：除了粘性，還有密度和熱導(dǎo)率等1、影響對(duì)流換熱的幾個(gè)因素當(dāng)流體溫度tf和壁面溫度tw相差較大時(shí)，溫度場(chǎng)影響速度場(chǎng)，從而影響對(duì)流傳熱系數(shù)。主要影響流體的粘度，同時(shí)管道的安放位置及熱流密度的方向不同，速度分布也不同。下列溫差范圍需要修正氣體：tw-tf>50℃水：tw-tf>20℃油類：tw-tf>10℃液體被加熱液體被冷卻氣體被加熱氣體被冷卻（2）入口效應(yīng)影響cl流體進(jìn)入管道后，從入口處開始，沿流動(dòng)方向邊界層逐漸增厚，并由層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚樱詈筮吔鐚釉诠艿乐行奶巺R合，邊界層厚度等于管半徑，而進(jìn)入充分發(fā)展段。

hx的變化：入口段的hx比充分發(fā)展段的hx大對(duì)于L/d<50短管，應(yīng)進(jìn)行修正：修正系數(shù)見圖6-3采用公式2、非圓形截面槽道用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。式中：為槽道的流動(dòng)截面積；P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)量直徑的方法會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。3、其它形式的關(guān)聯(lián)式希德—泰勒公式：稠油、高含蠟原油格尼林斯基公式：計(jì)算確定度最高4、強(qiáng)化傳熱措施d↓，h↑υ↑，h↑，但要考慮經(jīng)濟(jì)性彎管（螺旋管）、短管選用比熱大的流體（空氣冷卻、氫冷、水冷）加強(qiáng)擾動(dòng)

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：適用條件：四、管內(nèi)過渡區(qū)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱五、計(jì)算步驟確定特征溫度(有時(shí)需假設(shè))，查物性參數(shù)計(jì)算Re，判別流動(dòng)形態(tài)（若不能求得Re數(shù)，先假設(shè)流態(tài)計(jì)算，再校核）根據(jù)流態(tài)選關(guān)聯(lián)式，考慮修正（知道的先修正，未知的先假設(shè)為1，再校核）求Nu和h利用能量守恒定律，求其它物性參數(shù)校核例題5-1：在流體的物性和流道截面的周長(zhǎng)相同的條件下,圓管和橢圓管內(nèi)單相流體的受迫紊流換熱,何者換熱系數(shù)大?為什么?答：橢圓管的換熱系數(shù)大。因?yàn)閔∝d-0.2，橢圓管的de<圓管的d。對(duì)于周長(zhǎng)相同的圓和橢圓，其中橢圓的面積小于圓的面積，而de=4f/U，則de(橢圓)<d(圓)。例題5-2在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過內(nèi)徑為10mm、長(zhǎng)度為3m的銅管，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和65℃，試計(jì)算管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：由于管子細(xì)長(zhǎng)，l/d較大，可以忽略進(jìn)口段的影響。冷卻水的平均溫度為從附錄7中水的物性表中可查得λf=0.635W·/m.K，vf=0.659×10-6m2/s，Pr=4.31管內(nèi)雷諾數(shù)為

管內(nèi)流動(dòng)為旺盛紊流。

計(jì)算壁面溫度§5-6外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流傳熱的計(jì)算關(guān)聯(lián)式外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制?？v掠平壁橫掠單管（柱）橫掠管束（自學(xué)）§5-7自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱—流體在浮升力作用下的對(duì)流換熱大空間的自然對(duì)流傳熱：邊界層的形成和發(fā)展不受周圍物體的干擾（主要介紹）有限空間自然對(duì)流傳熱：受干擾（3）局部對(duì)流換熱系數(shù)：傳熱系數(shù)開始時(shí)因邊界層增厚逐漸減小，后又由于層流邊界層向湍流邊界層過渡，邊界層內(nèi)流體的摻混作用使邊界層熱阻減小，hx↑，轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚雍?，邊界層充分發(fā)展，hx基本不變。豎壁、豎圓柱：GrPr＞109

橫圓柱：GrPr＞1.5×108

水平板熱面朝上：GrPr＞5×106

（4）判別層流與湍流（不同形狀的換熱面標(biāo)準(zhǔn)不同）：Gr稱為格拉曉夫數(shù)，在物理上，Gr數(shù)是浮升力/粘滯力比值的一種量度。Gr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)則方程式為工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式：對(duì)于符合理想氣體性質(zhì)的氣體，。

二、大空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式式中：定性溫度采用膜平均溫度1、恒壁溫特征長(zhǎng)度的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。常數(shù)C和n的值見下表。

注：豎圓柱按下表與豎壁用同一個(gè)關(guān)聯(lián)式只限于以下情況：壁面形狀與位置

流動(dòng)情況

特征長(zhǎng)度

C

n適用范圍GrPr

垂直平壁或圓柱

壁面高度0.59

0.101/4

1/3

水平圓柱

圓柱外徑d0.850.480.1250.1881/41/3

水平熱壁上面或水平冷壁下面平壁面積與周長(zhǎng)之比A/U圓盤取0.9d0.54

0.15

1/4

1/3

水平熱壁下面或水平冷壁上面平壁面積與周長(zhǎng)之比A/U圓盤取0.9d

0.27

1/4

2、恒熱流密度(電子、電氣元件自然對(duì)流)

壁面熱流密度給定，但壁面溫度未知，并且沿壁面分布不均勻，往往需要確定局部壁面溫度。對(duì)于垂直壁面，引進(jìn)一個(gè)修正的局部格拉曉夫數(shù)

層流：湍流：定性溫度：，由于tw,x未知，需采用試算法。小結(jié)（1）對(duì)流換熱的影響因素；

（2）對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)模型；（3）邊界層概念及其特征，對(duì)求解對(duì)流換熱問題的意義；（4）對(duì)流換熱問題解的形式——特征數(shù)關(guān)聯(lián)式；（5