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1、传热学 Heat Transfer,6.4 外部流动强制对流换热 实验关联式,传热学 Heat Transfer,一、外掠等温平板(laminar flow, Re5105),1.公式,特征尺度：板长(局部为x，平均为l),2.注意,定性温度：tm=(t+tw)/2,x， ，h,传热学 Heat Transfer,二、外掠单管(flow across single cylinder),1.流动特点,前半周，加速流动,脱体，flow seperation,后半周，减速流动,脱体位置取决于Re数，,传热学 Heat Transfer,2.局部表面传热系数,一个实际问题：内部均匀加热的圆柱放在空气中
2、吹风冷却，圆柱表面何处温度最高？,温度最高点，层流： 湍流:,传热学 Heat Transfer,虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。,传热学 Heat Transfer,3.平均Nu,关联式,注意：,a.气体及液体通用，tm=(tw+t)/2，d-外径，u,c.C,n取决于,b.Re=0.4-4105,传热学 Heat Transfer,对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式。 注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸 是计算 数及 数时用的特征长度。,传热学 Heat Transfer,上述公式对于实验数据一般需要分段整理。 邱吉
3、尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。 式中：定性温度为 适用于 的情形。,传热学 Heat Transfer,例题6-4 在低速风洞中用电加热圆管的方法来进行空气横掠水平放置的圆管的对流换热实验。实验管置于风洞的两个侧壁上，暴露在空气中的部分长100mm，外径为12mm。实验测得来流气温t=15，换热表面平均温度tw=125，功率P=40.5W 。由于换热管表面的辐射及换热管两端通过风洞侧壁的导热，估计约有15%的功率损失掉，试计算此时对流换热的表面传热系数。,传热学 Heat Transfer,解：按牛顿冷却公式，整根换热管的平均表面换热系数为,其中,讨论
4、：如何提高表面传热系数测定的精确度？,代入上式得,传热学 Heat Transfer,4.应用举例热线风速仪,传热学 Heat Transfer,三、外掠管束(flow across tube banks),1.流动与换热特点,与单管相比，存在管之间的相互影响,流动方式有顺排(in-line tube row)和叉排(staggered)之别,后排易受前排影响，但n16消失,冲刷方向有影响(冲角),传热学 Heat Transfer,2.平均换热特性的实验关联式,传热学 Heat Transfer,茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很 宽的 数变化范围内更便于使用的公式。 式中：定性温
5、度为进出口流体平均温度； 按管 束的平均壁温确定； 数中的流速取管束 中最小截面的平均流速；特征长度为管子外 径。 实验验证范围：,顺排（16排）,传热学 Heat Transfer,叉排（16排）,管排修正系数en,传热学 Heat Transfer,例题6-5,P262,传热学 Heat Transfer,6.5 自然对流换热实验 关联式,传热学 Heat Transfer,一、工程背景,1.暖气管散热,4.冰箱(冰箱里食物不要装得太满),2.室外变压器散热,3.事故条件下核反应堆散热,5.电子器件冷却,传热学 Heat Transfer,二、现象及特点,1.定义：自然对流是由于流体中各部
6、分密度不均匀而引起的一种流动与换热现象，其流动与换热过程不可分割地联系在一起,驱动力：温度场不均匀;重力作用,不均匀的温度场不一定引起自然对流,与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动,2.理解,换热很弱，通常为主要热阻，但经济、安全、平静,物体表面上总换热量常需同时考虑与周围气体间的自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热(50%),传热学 Heat Transfer,3.自然对流换热现象的速度与温度分布特点,Tw T,思考：Tw T,传热学 Heat Transfer,层流,湍流,判别流态的特征数是Gr数， 类比于Re数，不是(GrPr),4.自然对流的两种流动形态,4.分类,大空间(边界层
7、不受干扰)(infinite space),有限空间(空间大小对换热效果有影响)(natural convection in enclosure),传热学 Heat Transfer,传热学 Heat Transfer,传热学 Heat Transfer,三、自然对流换热现象的控制方程及相似特征数,1.以竖直平板上空气被加热为例,浮升力(buoyancy force)是重力与压力梯度综合作用结果,传热学 Heat Transfer,2.相似特征数的导出,无量纲化,浮升力与粘性力之比的一种度量,传热学 Heat Transfer,3.相似特征数方程,四、大空间自然对流换热实验关联式,1.均匀壁温
8、,实用关联式形式,说明,C及n见表610， tm=(tw+t)/2，特征长度为表面高度l (竖平板及竖圆柱)，外径d(横圆柱),a.上式虽然是对均匀壁温得出，但对非均匀壁温情形也近似适用，取其平均壁温计算,b.Gr中，气体按理想气体处理， =1/T，液体查物性手册,传热学 Heat Transfer,d.竖圆柱可以归为竖壁的条件：,c.一般:,e.在湍流范围以内，Nu中的l与Gr中的l 可以消掉，h与高度l无关，“自模化”,传热学 Heat Transfer,2.均匀热流,式中：定性温度取平均温度，特征长度对矩形取短边长。,传热学 Heat Transfer,例6-6 室温为10的大房间中有一
9、个直径为15cm的烟囱，其竖直部分高为1.5m，水平部分长15m。求烟囱的平均壁温为 110 时，每小时的对流散热量。,解：平均温度,由附录查得，60 时空气的物性,（1）烟囱竖直部分的散热,传热学 Heat Transfer,由表6-10知,传热学 Heat Transfer,（2）烟筒水平部分的散热,由表6-10知是层流,所以,传热学 Heat Transfer,五、有限空间自然对流换热实验关联式,两种最简单而典型的有限空间自然对流,1.竖夹层(双层窗),2.水平夹层(太阳能集热器的空气夹层),传热学 Heat Transfer,3.特点：夹层厚度对流动开展有重要影响，冷热面温差是引起流动
10、的动力，一般以为特征长度，(th - tc)为计算Gr的温差,另外经常需考虑辐射换热,传热学 Heat Transfer,4.实验关联式,传热学 Heat Transfer,例6-8 一个竖封闭夹层，两壁由边长为0.5m的方形壁组成，两壁间距为15mm，温度分别为100 ，40 。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。,解：定性温度为两壁的平均温度,从附录查得空气物性为,对于空气：,传热学 Heat Transfer,按式6-46计算，即,所以,自然对流换热量按牛顿冷却公式计算,传热学 Heat Transfer,六、 自然对流与强制对流并存的混合对流,在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑
11、自然对流 考察浮升力与惯性力的比值 一般认为， 时，自然对流的影响不能忽略， 而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以 忽略不计。,自然对流对总换热量的影响低于10的作为纯强制对流； 强制对流对总换热量的影响低于10的作为纯自然对流； 这两部分都不包括的中间区域为混合对流。,传热学 Heat Transfer,本章作业,6-6、6-10、6-21、 6-26 、 6-37、6-43 、 6-53,传热学 Heat Transfer,6.6 单相对流换热总结,传热学 Heat Transfer,1.对流换热是如何分类的? 影响对流换热的主要物理因素. 2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程?
12、3.自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别? 4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数(表面传热系 数), 其物理机理和数学方法是什么? 5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义. 6.管外流和管内流的速度边界层有何区别? 7.为什么说层流对流换热系数基本取决与速度边界层的厚度? 8.从边界层积分方程的应用结果来说明. 9.为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度? 10.对十分长的管路, 为什么在定性上可以判断管路内层流 对流换热系数是常数?,传热学 Heat Transfer,11.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组? 12.如何将边界层对流换热微分方程组转化为无
13、量纲形式? 13.为什么说对强制对流换热问题, 总可以有: Nu=f(Re,Pr) 的数学方程形式? 14.什么是特性长度和定性温度? 选取特性长度的原则是什么? 15.对管内流和管外流, Re准则数中的特性长度的取法是不一 样的. 说明其物理原因. 16.当量水利直径的定义和计算方法. 17*.湍流动量扩散率, 湍流热扩散率, 湍流普朗特数是如何 定义的? 它们是物性么? 18*.什么是雷诺比拟? 它怎样推导出摩擦系数和对流换热系 数间的比拟关系式? 19.什么是相似原理? 判断物理相似的条件? 相似原理在工程 中有什么作用?,传热学 Heat Transfer,20.比拟和相似之间有什么联
14、系和区别? 21.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法. 22.使用定理推导准则关系式的基本方法. 23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义. 24.在有壁面换热条件时, 管内流体速度分布的变化特点. 25.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法.如何确定 特性长度和定性温度? 26.流体横琼单管和管束时对流换热的计算方法. 27.竖壁附近自然对流的温度分布,速度分布的特点? 换热 系数的特点? 28.大空间自然对流换热的计算方法.如何确定横管和竖管 的特性长度? 29.如何区分自然对流是属于大空间自然对流还是受限空 间自然对流?,传热学 Heat Transfer,30.如何计算物体表面自然对流和辐射换热同时需要考虑的 换热问题? 31.如何使用实验数据整理对流换热准则数实验方程式? 32.对自然对流换热, 自模化的物理意义及工程应用意义. 33.混合对流的概念.,
