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1、4-5 自然对流换热及实验关联式自然对流换热及实验关联式以前所学内容以前所学内容 到目前为止，我们主要学习了强制对流到目前为止，我们主要学习了强制对流由由_？_力驱动的 流动。力驱动的 流动。我们即将学习的内容：我们即将学习的内容： 由温差产生的浮升力驱动的流动由温差产生的浮升力驱动的流动自然对流自然对流1 自然对流在生活中的例子：自然对流在生活中的例子： 天气现象，如右图的雷暴天气现象，如右图的雷暴 热气球热气球 两层窗户两层窗户 滑翔机滑翔机 暖气管道暖气管道2 自然对流换热的特点自然对流换热的特点(1) 驱动力是浮升力驱动力是浮升力TTwu(x,y)ygwTTxvu(2) 边界层边界层
2、以热竖壁的自然对流为例以热竖壁的自然对流为例a 速度分布速度分布 当当 y : u = 0, T = T 当当 y 0 : u = 0, T = Tw 因此，速度因此，速度u在中间具有一个最大 值，即呈现两头小，中间大的分布。在中间具有一个最大 值，即呈现两头小，中间大的分布。 自然对流层流湍流自然对流层流湍流c 流态和局部对流换热系数流态和局部对流换热系数hx 层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚 度。层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚 度。 旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是 常量。旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是 常量。PrGrRa =23TLgGr=边界层处于层流边界层处于层流810R
3、a边界层处于湍流边界层处于湍流式中，式中，u0 是边界层内的平均流速是边界层内的平均流速; l 是竖壁的长度，相当于是竖壁的长度，相当于x；g 是重力加速度； 是体积膨胀系数是重力加速度； 是体积膨胀系数K-1，对于理想气体，对于理想气体，d 与自然对流换热相关的准则数与自然对流换热相关的准则数与之相关的无量纲参量有与之相关的无量纲参量有Re, Nu, Pr, Gr，其中，其中，lu0Re =23tlgGr=PT = 1mT1=2w mTTT+=tttw 未受壁面温 度影响的流 体温度未受壁面温 度影响的流 体温度壁面温度壁面温度lu0Re =23tlgGr=在自然对流换热中，在自然对流换热中
4、，u0是由于温差引起的，而是由于温差引起的，而 l 和又 被包含在和又 被包含在Gr中，因此，实际上中，因此，实际上Re是是Gr的函数，不是一个独立的无量纲量，因此，自然对流换热中，的函数，不是一个独立的无量纲量，因此，自然对流换热中，tPr),(GrfNu =当流动不单单由温差引起，同时还有外力的情况下，则当流动不单单由温差引起，同时还有外力的情况下，则Re 不是不是Gr的函数，此时，到底能否忽略惯性力，或浮升力， 则要根据下式判断：的函数，此时，到底能否忽略惯性力，或浮升力， 则要根据下式判断：10Re2Gr时，可忽略惯性力的影响，为自然对流换热时，可忽略惯性力的影响，为自然对流换热1 .
5、 0Re2Gr时，可忽略浮升力的影响，为强制对流换热时，可忽略浮升力的影响，为强制对流换热Pr),(GrfNu =Pr)(Re,fNu =10Re1 . 02Ha01. 0Hb工程中常用的实验关联式的形式为：工程中常用的实验关联式的形式为：n mCNu)PrGr(m=平均努塞尔数式中：平均努塞尔数式中：C 和和 n 见表见表43；定性温度通常采用边界层的算术平均为温度：另外，上式对两种热边界条件都适用。；定性温度通常采用边界层的算术平均为温度：另外，上式对两种热边界条件都适用。2)(+=tttwm=tttw(2) 大空间自然对流换热的实验关联式大空间自然对流换热的实验关联式说明：说明：对于竖圆
6、柱，实际上是忽略了曲率的影响，所以与竖壁采 用同一个公式，但此时竖圆柱的相对外径不能太小，需 要满足下面限制：对于竖圆柱，实际上是忽略了曲率的影响，所以与竖壁采 用同一个公式，但此时竖圆柱的相对外径不能太小，需 要满足下面限制：4135HGrHd封闭夹层示意图封闭夹层示意图12()wwtt4 有限空间自然对流换热的实验关联式有限空间自然对流换热的实验关联式这里仅讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对 流换热，而且推荐的关联式仅局限于气体夹层。这里仅讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对 流换热，而且推荐的关联式仅局限于气体夹层。 夹层内流体流动的影响因素夹层内流体流动的影响因素
7、23tlgGr=决定因素：（决定因素：（1）冷热壁面的相对位置（）冷热壁面的相对位置（2）夹层厚度（）夹层厚度（3）壁面温度）壁面温度对于竖直夹层，当、对水平夹层当时换热依靠纯导热对于竖直夹层，当、对水平夹层当时换热依靠纯导热2860Gr。2430Gr随着的提高，会依次出现向层流特征过渡的流动（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流动。随着的提高，会依次出现向层流特征过渡的流动（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流动。Gr 一般关联式为 上式中的系数C，m，n见表4-4=(Pr)mnHNuCGr作业：作业：430434本节的重点：本节的重点： 新引入的项：新引入的项：新引入的项：新引入的项： 体
8、积热膨胀系数数体积热膨胀系数数 K-1 格拉晓夫（格拉晓夫（Grashof）Grashof）数（数（Gr）Gr） 浮升力是流体流动的驱动力浮升力是流体流动的驱动力浮升力是流体流动的驱动力浮升力是流体流动的驱动力 自然对流边界层和对流换热系数的特点自然对流边界层和对流换热系数的特点自然对流边界层和对流换热系数的特点自然对流边界层和对流换热系数的特点 大空间和有限空间的理解大空间和有限空间的理解大空间和有限空间的理解大空间和有限空间的理解 实验关联式的适用条件实验关联式的适用条件实验关联式的适用条件实验关联式的适用条件1 对流换热的分类及影响因素对流换热的分类及影响因素第第4章中需要注意如下几点章
9、中需要注意如下几点2 基本概念，基本概念，如边界层如边界层(热边界层热边界层)、层流、湍流、入口 段、充分发展段、关联式、层流、湍流、入口 段、充分发展段、关联式(准则方程准则方程)、 实验关联式、范宁摩擦系数、牛顿冷却 微分方程、临界雷诺数、当量直径、 对数平均温差等等、 实验关联式、范宁摩擦系数、牛顿冷却 微分方程、临界雷诺数、当量直径、 对数平均温差等等3 准则数：准则数：物理意义、表达式、式中各量的获得、定 性温度、特征尺度、特征速度物理意义、表达式、式中各量的获得、定 性温度、特征尺度、特征速度4 对流换热各种求解途径和方法的基本思路： 边界层微分方程、边界层积分方程、 比拟理论、相
10、似原理对流换热各种求解途径和方法的基本思路： 边界层微分方程、边界层积分方程、 比拟理论、相似原理5 各种实验关联式的适用范围和适用的流动类型各种实验关联式的适用范围和适用的流动类型6 局部、平均、总的局部、平均、总的局部壁面切应力、总的壁面切应力 局部摩擦系数、平均摩擦系数局部壁面切应力、总的壁面切应力 局部摩擦系数、平均摩擦系数(或阻力系数或阻力系数) 局部努塞尔数、平均努塞尔数 局部对流换热系数、平均对流换热系数局部努塞尔数、平均努塞尔数 局部对流换热系数、平均对流换热系数 平均温度、平均速度平均温度、平均速度 7 对流换热的两种热边界条件对流换热的两种热边界条件(1)分析解给出的公式要
11、么适用于层流段，要么适用于湍流断，如果流动即包括层流段，又包括湍流段，则分析解给出的公式要么适用于层流段，要么适用于湍流断，如果流动即包括层流段，又包括湍流段，则 a 分别求解分别求解,然后换热量相加，然后换热量相加，b 先计算平均对流换热系数，然后在计算总的散热量；先计算平均对流换热系数，然后在计算总的散热量；(2)实验关联式给出的就已经是平均的努塞尔数，不需要分别计算层流段和湍流段。实验关联式给出的就已经是平均的努塞尔数，不需要分别计算层流段和湍流段。8 实验关联式和分析解实验关联式和分析解(精确解和近似解）的区别精确解和近似解）的区别9 无相变对流换热中通用函数关系无相变对流换热中通用函
12、数关系Pr),(GrfNu =Pr)(Re,fNu =Pr),Gr(Re,fNu =强制对流强制对流混合对流混合对流自然对流自然对流实验一、稳态导热实验实验一、稳态导热实验 （设计性实验）（设计性实验） 一、实验目的巩固和开拓导热部分课堂教学内容，加深对导热 基本理论的理解，培养学生的综合实践能力和动 手能力，使学生对热传导规律有较全面的了解。二、实验要求 根据实验室条件自行设计实验方案； 了解固体材料导热系数的测定方法； 使学生掌握导热原理； 能结合测量数据、结合公式整理出所测材料的导热系数； 对实验中所用仪器能熟练应用； 写出实验方案和实验报告。实验报告内容：（二、实验要求 根据实验室条件
13、自行设计实验方案； 了解固体材料导热系数的测定方法； 使学生掌握导热原理； 能结合测量数据、结合公式整理出所测材料的导热系数； 对实验中所用仪器能熟练应用； 写出实验方案和实验报告。实验报告内容：（1） 实验原 理及仪器结构原理； （） 实验原 理及仪器结构原理； （2） 给出原始数据，计算材料的导热系数并通过分析计 算出测量误差；在实验报告上面画出其主体结构的示 意图，标出各部分的名称并说明其在实验中的作用； （） 给出原始数据，计算材料的导热系数并通过分析计 算出测量误差；在实验报告上面画出其主体结构的示 意图，标出各部分的名称并说明其在实验中的作用； （3） 你对测试方法及仪器有何评价，简述你的改进 方法或意见。三、实验内容 用稳态法测量固体材料的导热系数。） 你对测试方法及仪器有何评价，简述你的改进 方法或意见。三、实验内容 用稳态法测量固体材料的导热系数。
