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1、7. 单相流体对流换热及其实验关联式7.1 知识结构1. 实验关联式应用条件：适用范围，定性温度，特征尺度，特征流速，修正系数（入口、弯道、特性）。2. 常用实验关联式：管内强制对流（紊流、层流及过渡流）（非圆形管道的当量直径计算）；外掠（平板、单管、管束）强制对流；自然对流（大空间、有限空间）。7.2 重点内容剖析由于对流换热问题的复杂性，大多数工程问题不能依靠分析解，而是依靠相似理论指导下的实验解。在应用实验关联式（准则方程）时要注意以下几个方面：（1） 实验范围（已定准则范围）内的相似现象一般不能外推； （2） 注意关联式所规定的定性温度、特征尺度、特征流速；（3） 正确选用各种修正系数
2、(物性，入口，弯管)7.2.1 强制对流换热及其实验关联式一、管槽内强制对流换热特征1 流动状态Re：0 2300 10000 层流 过渡流 湍流2 速度分布温度对流速分布的影响是通过粘性作用的。液体粘性随温度升高而降低，气体粘性随温度升高而增加。相同切应力作用下，粘度越大，速度在壁面法线方向的变化率越小。3 典型边界条件恒热流：边界处热流密度恒定不变，如电加热器。恒壁温：边界处温度恒定不变，如冷凝器。湍流时（除液态金属外）两种边界条件对传热系数的影响可忽略不计，但对层流和低Pr介质，两种边界条件下传热系数的差别不容忽视。4 原则性准则方程 (7-1)5 入口效应：入口段：从入口至流动边界层在
3、管道中心汇合处。层流入口段长径比(比湍流大)：湍流入口段长径比：充分发展段：流动边界汇合处下游。入口效应：由于入口段边界层较薄，平均表面传热系数比充分发展段大，入口段有强化传热的作用。(短管强化传热)6 努塞尔特准则的物性修正系数： (温度场不均匀物性场不均匀) 下标：f 流体温度下参数w 壁面温度下参数二、管内湍流换热实验关联式 (7-2)加热液体时：n=0.4冷却液体时：n=0.3定性温度：流体平均温度（管道进出口平均温度）特性尺度：管道内径(由关联式分析可知：hd-0.2 小管强化传热)适用范围：Ref=1041.2105，Prf=0.7120，l/d60，对于短管或弯管：乘以相应修正系
4、数对于非圆形管道：用当量直径代替管道直径 气体：不超过50 传热温差 水：不超过30 油：不超过10 温差超出范围时，参考文献1P165有推荐公式和使用条件注： 非圆形管道(当量直径)： (7-3) A流动截面积 U湿周长 入口效应修正系数（l/d恒壁温Nu(2) 等截面直通道内的层流充分发展段Nu与Re无关(自模化)(3) 对于层流，当量直径只是一几何参数，不能用它来统一不同截面通道的换热和阻力计算表达式。四、外掠单管换热实验关联式1. 脱体流：外掠流体边界层脱离绕流壁面的流动。(参见参考文献1图5-21)2. 局部表面传热系数：由于绕流流体在圆周方向的流动状态和流动边界层的变化，表面传热系
5、数也发生较大变化(参见参考文献1图5-22)，圆周方向某一角度的换热系数称为局部表面传热系数。3. 平均表面传热系数(应用于工程计算)：局部表面传热系数在圆周方向上的平均值。4. 实验关联式（空气、烟气、气液通用） (7-7) C，n查参考文献1表5-5（P173） 定性温度：壁温与来流温度平均值 特征流速：来流速度u 特征尺度：管外径 温度范围：t=15.5982，tw=211046五、外掠管束换热实验关联式 (如：换热器、锅炉排管、暖风器)1 管排形式(参见参考文献1图5-24)顺排：在流体流动方向上对齐排管，流动阻力较小。叉排：在流体流动方向上交叉排管，流动阻力大，换热效果好。2 实验关
6、联式Nu=CRem (7-8)C，m查参考文献1表5-7（P176）（适用于气体）定性温度： （tf为流体进出口平均温度）特征流速：最窄截面处流速特征尺度：管外径适用范围：Ref=200040000低于10排时，管排修正系数（查参考文献1表5-8，P176） 更广Pr、Re范围的关联式参见参考文献1P177。六、横掠平板对流换热实验关联式1. 横掠平板强制对流流动状态：Re：0 200000 500000 层流 过渡流 湍流2. 横掠平板层流换热实验关联式 （7-9） 定性温度：壁温与来流温度平均值 特征流速：来流速度u 特征尺度：板长L（流体流动方向）适用范围：ReL 2105 3. 板末端
7、湍流换热实验关联式： (7-10)7.2.2 自然对流换热及其实验关联式一、 自然对流换热特征运动动力：壁面与流体温度不同流体近壁处温度不均匀密度不均匀浮升力近壁温度场：对于贴近热竖壁的流体，不均匀温度场仅发生在靠近壁面的薄层之内，壁面处流体温度与壁面温度相同，在离开壁面方向上逐渐降低，直到环境温度。近壁速度场：壁面处流速为零，薄层外流速也为零，在薄层中速度有一个峰值。流动状态与表面传热系数：从壁面底部生成层流薄层，薄层厚度随着高度增加而增加，对应的局部表面传热系数随高度的增加而减小，到达一定高度后，流体逐渐转变为湍流状态，表面传热系数有所回升，流动进入旺盛湍流后，表面传热系数不再变化，即与高
8、度无关，换热现象进入自模化阶段。流动状态的判据准则： （不同几何形体有不同临界参数） （对于理想气体，体积膨胀系数）原则性准则方程：大空间：热边界层自由生长的空间有限空间：热边界层融合或相互干扰的空间二、 大空间自然对流换热实验关联式1 垂直对流 C，n查参考文献1表5-12定性温度：特征尺度：坚壁、坚圆柱：高度 横圆柱：外径2 恒热流水平对流 其中： B，m查参考文献1表5-13定性温度：特征尺度：短边板长三、 有限空间自然对流换热实验关联式其中：是以夹层宽度为特征尺度的格拉晓夫数C，n，m见参考文献1p186187相关公式定性温度：特征尺度：夹层宽度7.3 概念汇总1. 管流临界雷诺数：2
9、300100002. 平板流临界雷诺数：3. 液体粘性随温度升高而降低，气体粘性随温度升高而增加。相同切应力作用下，粘度越大，速度在壁面法线方向的变化率越小。4. 恒热流：边界处热流密度恒定不变，如电加热器。5. 恒壁温：边界处温度恒定不变，如冷凝器、蒸发器。6. 一般情况下，湍流状态对流换热的表面传热系数可不考虑恒壁温和恒热流两种边界条件的影响，但对层流和低Pr介质，两种边界条件下传热系数的差别不容忽视。7 强制对流原则性准则方程8 自然对流原则性准则方程9 入口段：从入口至流动边界层在管道中心汇合处。10 充分发展段：流动边界汇合处下游。11 入口效应：由于入口段边界层较薄，平均表面传热系
10、数比充分发展段大，入口段有强化传热的作用。(短管强化传热)12 由管流湍流换热关联式分析可知：hd-0.2 小管强化传热13 由于流体流经弯管时有二次流的作用，弯管强化传热。14 等截面直通道内的层流充分发展段Nu与Re无关(自模化)。15 对于管内层流换热，当量直径只是一个几何参数，不能用它来统一不同截面通道的换热和阻力计算表达式。16 局部表面传热系数：管流、平板流、外掠单管流中，流动边界层沿流动方向不断变化，表面传热系数也不断变化，对应点的表面传热系数称为局部表面传热系数。17 自然对流流动状态的判据准则是格拉晓夫数，不同几何形体有不同的特征尺度和不同的临界参数。18 对于理想气体，体积
11、膨胀系数。19 有限空间：热边界层融合或相互干扰的空间。20 大空间：热边界层自由生长的空间。7.4 思考题分析7-1 什么是内部流动？什么是外部流动？ 答：所谓内部流动，是指流体流过与之换热的管壁内部，其流动边界层与热边界层不能自由发展，最后汇合于管道中心。而外部流指的是换热壁面上的流动边界层和热边界层可以自由发展，存在一个边界层外的区域。7-2 试说明管槽内对流换热的入口效应并简释其原因。 答：流体进入与之换热的管内后，流动边界层和热边界层从零增长到汇合于管道中心的这一区域称为入口段，在入口段中边界层较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，这种入口段换热条件比充分发展段换热条件好的情况称为入
12、口效应。7-3 对于外掠管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排数大于一定值后才与排数无关，试分析其原因。 答：其原因是上游排管尾流扰动对后排管传热的影响直到一定排数后才能消失。7-4 试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。 答：当流动边界层和热边界层汇于管子中心线后称流动和换热已经充分发展，此后的流速分布和换热强度将保持不变。7-5 什么叫大空间自然对流换热？什么叫有限空间自然对流换热？这与强制对流中的外部流动及内部流动有什么异同？ 答：所谓大空间指的是边界层可以自由生长的空间，而有限空间指的是边界层相互干扰的空间，与强制对流相比，除流动的成因不同外，就边界层的生长方式而言，大空间类似于外部流动，有限空间类似于内部流动。7-6 试分析管内湍流强制对流换热，流速增加一倍时表面传热系数h如何变化？管径缩小一半，流速等其他条件不变时h如何变化？管径缩小一半，体积流量等其他条件不变时，h如何变化？答：由式7-2分解可得：流速增加一倍，直径缩小一半（u不变），直径缩小一半，体积流量不变流速增加到4倍，7-7 管内
