傳熱學(xué)課堂練習(xí)課件

第五章對(duì)流換熱(ConvectionHeatTransfer)

［例5-1］由對(duì)流換熱微分方程可知，該公式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場無關(guān)。試判斷這種說法的正確性。

典型題精解解：這種說法不正確。因?yàn)樵诿枋隽鲃?dòng)的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場，必須先獲得其速度場，“流動(dòng)與換熱密不可分”，因此，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場有關(guān)。［例5-2］在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對(duì)值最大？為什么？有人說一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對(duì)值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為呢？

解：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對(duì)值最大，因?yàn)楸诿媾c流體間的熱量交換都要通過貼壁處不動(dòng)的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。由對(duì)流換熱微分方程，對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，λ與△t均保持為常數(shù)，因而，可用絕對(duì)值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。［例5-4］試比較準(zhǔn)則數(shù)Nu和Bi的異同!解：從形式上看，Nu數(shù)（Nu=）與Bi數(shù)（Bi=）完全相同，但二者物理意義卻不同。Nu數(shù)中的λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，而一般h未知，因而Nu數(shù)一般是待定準(zhǔn)則。Nu數(shù)的物理意義表示壁面附近流體的無量綱溫度梯度，它表示流體對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。而Bi數(shù)中λ的為導(dǎo)熱物體的導(dǎo)熱系數(shù)，且一般情況下h已知，Bi數(shù)一般是已定準(zhǔn)則。Bi數(shù)的物理意義是導(dǎo)熱體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻()與外部對(duì)流熱阻(l/h)的相對(duì)大小。［例5-5］

對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，考慮溫差修正系數(shù)時(shí)，為何對(duì)氣體采用溫度形式，而對(duì)液體卻采用粘度形式？解：在熱邊界層內(nèi)溫度場影響流體的物性值。對(duì)于液體，主要影響其粘度，而對(duì)密度等影響不大，因而溫差修正系數(shù)采用粘度形式，即的形式；而對(duì)氣體，溫度場不僅影響其粘度，還影響其密度ρ，導(dǎo)熱系數(shù)λ等參量，而所有這些參量均與溫度有一定函數(shù)關(guān)系，所以采用溫度形式修正，即的形式。例5-6］對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用的短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱？

解：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段，溫度邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的“入口段效應(yīng)”，從而強(qiáng)化換熱。而對(duì)彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了換熱！［例5-7］對(duì)管內(nèi)流層強(qiáng)制對(duì)流換熱，試定性給出沿管軸方向局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨x的變化曲線。并說明在傳熱溫差一定的情況下，為何平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)總是高于局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)？

解：由于入口效應(yīng)，入口段熱邊界層較薄，因而換熱較強(qiáng)。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，且沿主流方向逐漸降低。當(dāng)換熱達(dá)充分發(fā)展段（溫度邊界層匯合于管子中心線后），局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx將保持不變，隨x的變化趨勢如圖5-3實(shí)線所示。

圖5-3管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)曲線［例5-8］試舉例說明，對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的定量計(jì)算何時(shí)應(yīng)采用試算法(迭代法)？如何判斷迭代過程達(dá)到收斂？

解：一般有以下幾種情形，宜采用試算法。

(1)管長L未知。因?yàn)楣軆?nèi)湍流換熱達(dá)充分發(fā)展時(shí)要求L/d≥60。此時(shí)可先假定滿足此條件，即令ＣL=l，待根據(jù)熱平衡方程求出管長后，再校正。

(2)流體速度未知。此時(shí)先假定流速，根據(jù)Re數(shù)選擇層流或湍流公式，再根據(jù)熱平衡方程對(duì)流速進(jìn)行校正。(3)管內(nèi)壁溫度未知。由于內(nèi)壁溫未知，因而流體與壁溫之差Δt=twi-tf未知，無法確定是否需要進(jìn)行溫差修正。此時(shí)可先假定Ｃt=1，然后由熱平衡方程確定內(nèi)壁溫twi，再進(jìn)行修正。(4)管徑d未知，因此無法確定是否是層流、湍流和滿足l/d≥60的條件。處理方法與流速和管長未知的情形類似。(5)流體出口溫度未知。此時(shí)流體平均溫度亦未知，因而無法確定流體物性(如ν，Pr，λ等)及是否要進(jìn)行溫差修正。處理方法先假設(shè)流體出口溫度，按對(duì)流換熱問題的求解步驟進(jìn)行計(jì)算，最后用熱平衡方程求出，再進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿足熱平衡偏差為止。迭代過程收斂的條件為熱平衡偏差值小于±5%。P=3(l－d＋πd/6)=3(l－d)+1/2×πd

［例5-10］其它條件相同時(shí)，同一根管

子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪種情

形