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1、1,第四章 对流传热的理论基础和工程计算,一、对流传热的理论基础,二、对流传热的工程计算,管槽内强迫对流传热 4.5 外部强迫对流传热 4.6 （不做要求） 自然对流传热 4.7,熟悉它们的特点及影响因素， 掌握利用特征数方程式进行对流传热计算。,2,（一） 管槽内强迫对流传热 （4.5节）,二、对流传热的工程计算,管槽的截面： 圆形 -内径d 非圆形 -当量直径de,3,（一） 管槽内强迫对流传热 （4.5节）,1、概述,流态：,二、对流传热的工程计算,流动与换热特征,流动边界层（受流动空间限制）,热边界层,层流 流动,4,管内流动速度边界层及速度分布曲线,（一）管槽内的强制对流传热,层流,
2、旺盛湍流,内部流动的首要问题 确定流动入口段 （取决于流态）,湍流 流动,层流 流动,5,局部表面传热系数沿管长的变化,（一）管槽内的强制对流传热,常物性流体 hx=常数,常物性流体 hx=常数,流动和换热同时达到充分发展段,管内对流传热,层流,湍流,6,（a）恒热流边界条件 （b）恒壁温边界条件,流体截面平均温度沿管长的变化规律,（一）管槽内的强制对流传热,tm沿整个换热面的积分平均值 热边界条件不同，取法不同。,线性变化,指数函数变化,管壁与流体间的平均温差,7,关于管槽内强迫对流传热实验关联式的说明,（一）管槽内的强制对流传热,8,（1）层流对流传热,（一）管槽内的强制对流传热,2 、管
3、槽内强制对流传热计算,齐德-泰特 Sieder-Tate公式,，,，,理论分析,常物性流体 hx=常数,9,管内层流换热的实验关联式 充分发展段的层流对流传热,考虑自然对流影响的管内层流强迫对流传热,需要指出的是，只有在管径和温差均较小而粘性又较大、流速又较低时才有可能出现严格的层流传热。 其它情况下往往伴随着自然对流传热，特别是在石油工程中，这种混合对流传热的情形更为常见。 实验关联式为：,式中，Grf称格拉晓夫数。 实验验证范围：Grf Prf 5102，Ref 2000,10,12,2 、管槽内强制对流传热计算,（2）湍流对流传热,适用范围：,1）迪特斯波尔特（Dittus-Boelte
4、r）公式,长管、直管、中等温差,（一）管槽内的强制对流传热,湍流边界层具有三层结构模型：热阻集中在层流底层。 层流底层厚度极薄，温度梯度很大，湍流的换热强度远超过层流。 湍流换热剧烈，热边界层条件的影响可忽略不计 液态金属除外。,工程中最为常见,13,2 、管槽内强制对流传热计算,（2）湍流对流传热,适用范围：,1）迪特斯波尔特（Dittus-Boelter）公式,长管、直管、中等温差,（一）管槽内的强制对流传热,14,如何有效地强化传热？,2 、管槽内强制对流传热计算,（2）湍流对流传热,15,几点说明,（一）管槽内的强制对流传热,范围扩大，进行修正！,16,入口段效应：,入口段的传热效果好
5、，表面传热系数较高。 管子较短时，必须考虑入口段的影响。,（一）管槽内的强制对流传热,17,弯管效应：,当流体在弯曲管道内流动时，由于离心力的作用，会产生垂直于主流方向的二次环流，加强了管内边界层的扰动和混合，从而使换热增强。 弯管曲率半径R越小，流速越大，二次环流的影响越大。,（一）管槽内的强制对流传热,弯管的二次环流,18,流体物性随温度变化的影响：,流体温度场的不均匀，会引起物性场不均匀。 其中粘度随温度的变化最大。粘度场的不均匀会影响速度场，因此影响对流传热。,（一）管槽内的强制对流传热,液体：主要是粘性随温度变化,气体：除粘性，还有密度和热导率等,速度畸变,19,管内湍流对流传热其他
6、实验关联式,适用范围：,2）齐德泰特 Sieder-Tate公式,（一）管槽内的强制对流传热,20,3）格尼林斯基Gnielinski公式,适用范围：,阻力系数：,物性随温度变化的修正系数：,（一）管槽内的强制对流传热,管内湍流对流传热其他实验关联式,迄今计算准确度最高的实验关联式,21,以上所有方程仅适用于Pr0.6的气体或液体。 对于Pr数很小的液态金属，换热规律完全不同。 推荐光滑圆管内充分发展湍流传热的准则式： 均匀热流边界 实验验证范围： 均匀壁温边界 实验验证范围： 特征长度：内径 定性温度：流体平均温度。,22,由于流动的不稳定性，与层流和湍流相比，很难找到既简便又精确的计算公式
7、。 在工程设计上，从系统可靠性而言，如果有可能也往往避开过渡区。 豪森Hausen推荐公式：,适用范围：2300Ref6000 特别适用于粘性流体,（3）过渡流对流传热,2 、管槽内强制对流传热计算,（一）管槽内的强制对流传热,入口段效应,23,强迫对流传热计算的步骤,（1）首先判断所求问题是哪一类换热？ 有相变or无相变？自然对流or强制对流？内部流动or外部流动？ 各类对流传热都有专用的实验关联式（非常重要） （2）正确选择定性温度、特征尺度和特征速度。 （3）计算Re数，判断流态；选择合适的实验关联式进行计算。 注意事项： 三大特征量的选取； 牛顿冷却公式中的温差定义； 关联式计算的是：
8、局部hx 还是平均h ? 实验关联式的适用范围，原则上不能外推； 范围扩大必须进行修正。,（一）管槽内的强制对流传热,24,25,（二）外部强迫对流传热（4.6节）,例子：很多！ 空气纵掠飞机机翼（+摩托车引擎的壳体）、 风吹过热力管道（+太阳能集热器表面+地面）、 锅炉烟气掠过管束、流体横掠管束等等。 1.流体外掠平板 2.流体横掠单管,二、对流传热的工程计算,外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能够自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。,26,局部表面传热系数的变化趋势,边界层加厚 （导热）,流体扰动 加剧,边界层加厚,1、流体外掠平板,缓冲层,湍流核心,（二）外部强迫对流传热,27
9、,流态的判断雷诺准则Re数,临界距离xc ：边界层从层流开始向湍流过渡的距离。 其大小取决于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定度。 由实验确定的临界雷诺数Rec给定。,（二）外部强迫对流传热流体外掠平板,28,（二）外部强迫对流传热流体外掠平板,(1)层流对流传热,l,(1)定性温度： 热边界层的平均温度tm (2)特征长度： 下角标x长度x； 下角标l 板长l。 (3)特征速度：来流速度u。,29,（二）外部强迫对流传热流体外掠平板,(2)湍流对流传热,30,（二）外部强迫对流传热流体外掠平板,31,* 恒热流平板 *,恒热流平板湍流边界层内的局部努塞尔数比恒壁温情况高约4
10、%。,（二）外部强迫对流传热流体外掠平板,恒热流加热或冷却在工程中有广泛的应用背景，如电子元器件的散热，需要计算壁面温度。试算法,32,2、流体横掠单管,1）流动和传热特点 所谓横掠单管，是指流体沿着垂直于管道轴线的方向流过管道的外表面。 当流体横向掠过单管时，流体接触管面后从上、下两侧绕过，并在管壁上形成边界层，有层流和湍流两种。但流体沿曲面流动与沿平面流动不同。由于沿程流体压力的变化，壁面上的边界层会产生脱离现象；分离点后的流体产生涡街。 流体流动状态与雷诺数Re有关。,来流速度,圆管外直径,流体的运动粘度,（二）外部强迫对流传热,33,实验表明： Re5 ，流体绕流圆柱时边界层发生脱体现
11、象，形成涡街。 这是由于粘性流体流过圆柱时流速和压力的变化造成的。,脱体点的位置取决于Re数大小：,边界层为层流，脱体点在=8085处；,边界层先从层流转变为湍流，流体的动能较大，脱体点向后推移到=140处。,（二）外部强迫对流传热流体横掠单管,34,1,2,3,4,5,6,（二）外部强迫对流传热流体横掠单管,35,对流传热规律：取决于边界层的发展和分离。,局部表面传热系数h 变化呈现复杂的细节，随角和Re数而变化规律如图所示。 当Re数较小时，边界层为层流，Nu随角的增加而减小；随着边界层分离出现涡流， Nu回升。 当Re数较大时，边界层出现湍流，Nu有两次回升，第一次因层流转变为湍流，第二
12、次由于边界层脱体。 注意：脱体点处的局部表面传热系数最小，换热最差。 平均表面传热系数h ： 具有明显的渐变规律。,（二）外部强迫对流传热流体横掠单管,层 流,湍 流,36,表4-3 式中常数C和.n的数值（分段）,2）流体横掠单管对流传热的实验关联式,(1)定性温度：流体与壁面的平均温度tm，即,(2)特征长度：圆管外直径d。 (3)特征速度：来流速度uf。,（二）外部强迫对流传热流体横掠单管,37,表4-4 式中常数C和.m的数值(分段),流体横掠单管对流传热的实验关联式,(1)定性温度：以壁温tw确定Prw；其他按主流温度选取。,(2)特征长度：圆管外径d。 (3)特征速度：来流速度uf
13、。,（二）外部强迫对流传热流体横掠单管,38,流体横掠单管对流传热的实验关联式,(1)定性温度：热边界层平均温度。,(2)特征长度：圆管外径d。 (3)特征速度：来流速度uf。,（二）外部强迫对流传热流体横掠单管,例题4-6 第115-116页,39,3、 流体横掠管束,更为复杂。,叉排的平均表面传热系数要比顺排大，但流动阻力也比顺排大。,计算采用准则方程式进行，注意： （1）特征速度umax为流体的最大流速； （2）特征长度取管外径d； （3）对于流体沿轴向流过管束时的换热系数，可采用管内湍流换热公式，但特征长度应取当量直径de。,（二）外部强迫对流传热,40,41,强迫对流传热的典型计算题
14、,（一）计算表面传热系数 （二）计算对流传热面积A或管长l （三）计算流体温度。试算法 关键计算表面传热系数h。,二、对流传热的工程计算,第一类：求表面对流传热系数h 关键选实验关联式 一、确定定性温度，查出流体物性参数。 二、计算过程： 1求Re数，判断流态； 2选择合适的实验关联式； 3计算Nu数，求出表面传热系数h。,42,强迫对流传热的典型计算题,二、对流传热的工程计算,例题4-3 第108-109页,第二类：求换热面积A或长度L 关键求h 一、求解表面传热系数h； 二、根据热平衡方程，求得A或L； 三、校核管长： L/d60是否成立；否则管长修正。,43,强迫对流传热的典型计算题,二
15、、对流传热的工程计算,例题4-4 第109-110页,第三类：求流体温度tf”（或tf）采用试算法 1、先假定一个温度tf”（或tf）； 2、以tf为定性温度，计算h； 3、根据热平衡方程，求出tf”计算值； 4、与假定值比较，若满足精度，结果可靠； 否则以tf”计算值为假定值，重复计算，直至满足精度。,44,强迫对流传热的典型计算题,二、对流传热的工程计算,例题4-5 第110-111页,管内强迫对流传热试算法的应用,在对流传热的计算中试算法是经常遇到的。除了流体出口温度未知需要采用试算法外，还需采用试算法的情形包括： （1）管长未知。可先按长管计算，求出表面传热系数h后，根据热平衡算出管长
16、。若L/d60，计算有效；否则，求得cl， h=clh。一般试算一次即可。 （2）管内壁温度未知。先按ct=1求出h，然后根据热平衡求出管内壁平均温度，计算ct，则h=cth。一般试算一次即可。 （3）流体流速未知。先假设流速u，计算Re数判断流态，选用适当公式计算出h。然后根据热平衡求出新的流速u”。 若u和u”接近，计算结束，取u”或（u+u”）/2作为计算结果； 若二者相差较大，则以u”代替u，重新计算，直到接近为止。 （4）管内径d未知。假设管内径d ，试算步骤与（3）相似。,45,二、对流传热的工程计算,46,二、对流传热的工程计算,47,二、对流传热的工程计算,48,二、对流传热的工程计算,49,二、对流传热的工程计算,直管 大温差修正 管长L未知 ？ 假设长管 校核：!,J/(kgK),算术平均温
