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1、华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *1 第五章第五章 对流换热计算对流换热计算 5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算 5-2 流体外掠物体的对流换热计算 5-3 自然对流换热计算 5-4 液体沸腾换热计算 5-5 蒸汽凝结换热计算 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & Engineeri
2、ngScience & Engineering *2 5-1 5-1 管管( (槽槽) )内流体受迫对流换热计算内流体受迫对流换热计算 1 管(槽)内流动换热的特点 流体在管内流动属于 内部流动过程，其主 要特征是，流动存在 着两个明显的流动区 段，即流动进口（或 发展）区段和流动充 分发展区段 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *3 进口区：流动和热边界层从零开始增长，直到 汇合至管子中心线。管子进口到边
3、界层汇合处 的这段管长内的流动称为管内流动进口区 充分发展区：边界层汇合于管子中心线以后的 区域，即进入定型流动的区域。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *4 如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。 入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。 华中科技大学热科学与工程实验室华
4、中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *5 如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。 如果出现湍流，湍流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & Eng
5、ineeringScience & Engineering *6 当流体温度和管壁温度不同时，在管子的进口 区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管 内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从 而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界 层汇合之前也就必然存在热进口区段。 随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流 和紊流热边界层之分。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *7 流动进口段 热进口段长度： 华中科技
6、大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *8 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变 ，有 x t 入口段充分发展段 tf tw 恒热流时 t=C管内流体截面上的 平均温度 流体进口平均温度 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science
7、& EngineeringScience & Engineering *9 x t tw = C tf 恒壁温时 当管壁温度为常数时，流 体的温度随流动方向按如 下指数规律变化 利用在整个管长内的流动换热平衡关系式 可得出计算表面传热系数的平均温差表达式 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *10 其中，tf, tf”分别为出口、进口截面上的平均 温度。 当进口与出口截面上的温差比(tw - tf)/(tw
8、- tf) 在0.5 2之间时，可按如下算术平均温差计算 ，结果的差别在4%以内。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *11 2 管内强制对流换热的准则关系式 管内紊流换热准则关系式 当管内流动的雷诺数Re104时，管内流体处于 旺盛的紊流状态。此时的换热计算可采用迪图 斯-贝尔特（Dittus-Boelter）准则关系式 特征尺寸为d，特征流速为um，流体物性量采 用的定性温度是 为流体的平均 温度；流体
9、被加热n=0.4,流体被冷却 n=0.3。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *12 使用范围： Ref = 104 1.2105, Prf = 0.7 120, l/d 60； 温差tw-tf较小，所谓小温差是指对于气体 50；对于水2030 ，对于油类流体10 。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal S
10、cience & EngineeringScience & Engineering *13 当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上 流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影 响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化 导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进 而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。 液体被加热或气体被冷却 液体被冷却或气体被加热 恒定温度的情况 管内流动温度对速度分布的影响示意图 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience &
11、Engineering *14 大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物 性修正项 。 对于液体乘以 液体被加热n=0.11，液体被冷却n=0.25(物性量 的下标表示取值的定性温度) 对于气体则乘以: 气体被加热n=0.55，气体被冷却n=0.0（此处 温度用大写字符是表示取绝对温标下的数值 ）。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *15 弯曲管道流动情况示意图 弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由于离 心
12、力的作用会形成垂直于流动方向的二次流 动，从而加强流体的扰动，带来换热的增强 。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *16 在平直管计算结果的基础上乘以一个大于1的 修正系数 CR。 流体为气体时 ： CR1+1.77(d/R) 流体为液体时 ： CR1+10.3(d/R)3 R为弯曲管的曲率半径 当管子的长径比l/d10, 用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性温度 与管内紊流换热准则关系式相同。 当雷诺数
13、Re2200时管内流动处于层流状态， 由于层流时流体的进口段比较长，因而管长 的影响通常直接从计算公式中体现出来。这 里给出Sieder-Tate的准则关系式： 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *18 管内过渡流区换热准则关系式 当雷诺数处于2200Re104的范围内时，管内 流动属于层流到紊流的过渡流动状态，流动 十分不稳定。工程上常常避免采用管内过渡 流动区段。 气体: 华中科技大学热科学与工程实验室
14、华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *19 液体: 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *20 例1 空气以2m/s的速度在内径为10 mm的管内流动， 入口处空气的温度为20，管壁温度为120，试确 定将空气加热至60所需管子的长度。 解 定性温度为t
15、f =(20+60)/2=40，查出空气的物性 参数为： =1.128 kg/m3，Cp=1.005 kJ/kg， =2.7610-2 W/m， f=19.110-6 kg/ms，Pr=0.699。 而当tw =120时，查得 w =22.810-6 kg/ms。 雷诺数Re=1.1810310 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *21 由能量平衡有: 代入数据得hL=2.83 比较上述两步得到的结果，有1
16、0.12L-1/3 L=2.83 ，最 后解得L=0.148 m。由于L0.825 m，前述假设是正 确的。 得h=10.12L-1/3。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST Lab of Thermalof Thermal Science & EngineeringScience & Engineering *22 5-2 5-2 流体外掠物体的对流换热计算流体外掠物体的对流换热计算 1 流体平行流过平板时的换热计算 层流流动 紊流流动 0 xc qw x 流体流过平板换热示意图 边界层层流流动换 热可以通过边界层 微分方程组的求解 获得相应的准则关 系式 而紊流问题也可以通过求解边界层积分方程而 得出相应的准则关系式。 华中科技大学热科学与工程实验室华中科技大学热科学与工程实验室 HUST LabHUST
