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1、单相流体强制对流换热实验关联式传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer一、管内一、管内强制制对流流换热流流动和和换热的特征的特征1. 管内的流管内的流动状状态层流流过渡区渡区湍流湍流采用雷采用雷诺数判断数判断传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer2. 2. 流流流流动动和和和和换热换热的入口段及充分的入口段及充分的入口段及充分的入口段及充分发发展段展段展段展段传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer流流动入口段入口段流流动充分充分发展段展
2、段换热入口段入口段换热充分充分发展段展段流流动入口段入口段长度度 l 的的确定确定层流：流：湍流：湍流：传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer3. 3. 局部表面局部表面局部表面局部表面传热传热系数系数系数系数 h hx x 的的的的变变化化化化请同学解同学解释这么画的依据么画的依据传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer4. 4. 常常常常见见的两种的两种的两种的两种换热换热条件条件条件条件 管子表面的管子表面的换热条件有均匀条件有均匀热流和均匀壁温两流和均匀壁温两种典型的情况。种典型的
3、情况。(1) (1) 均匀均匀热流（恒流（恒热流）流）壁面和流体温度随管壁面和流体温度随管长的的变化化tx0twtf对流流传热温差温差为：传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer(2) (2) (2) (2) 均匀壁温（恒壁温）均匀壁温（恒壁温）均匀壁温（恒壁温）均匀壁温（恒壁温）对流流传热温差温差为：tx0twtf壁面和流体温度随管壁面和流体温度随管长的的变化化传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer二、管槽内湍流二、管槽内湍流换热实验关关联式式1. 迪迪图斯斯-贝尔特（特（Dittus-
4、Boelter）关）关联式：式：适用的参数范适用的参数范围：式式中中取取流流体体平平均均温温度度作作为定定性性温温度度；取取管管子子内内径径d d为特征尺度；取截面的平均流速作特征速度。特征尺度；取截面的平均流速作特征速度。气体：气体： 水：水： 油：油： 传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer2. 2. 迪迪迪迪图图斯斯斯斯- -贝尔贝尔特关特关特关特关联联式式式式应应用范用范用范用范围围的的的的扩扩展展展展（1 1）温差超）温差超过推荐的幅度推荐的幅度值对于液体：主要是粘性随温度而于液体：主要是粘性随温度而变化。化。对于气体：除了粘性，
5、于气体：除了粘性，还有密度和有密度和导热系数等。系数等。 当当温温差差超超过推推荐荐的的幅幅度度值后后，流流体体热物物性性将将发生生变化，从而化，从而对换热产生影响。生影响。修正方法：修正方法：传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer（2 2 2 2）非）非）非）非圆圆形截面通道形截面通道形截面通道形截面通道 对于于方方形形、椭圆形形、环形形等等形形状状的的截截面面情情况况，可可以以用用当当量量直直径径作作为特特征征尺尺度度从从而而应用用以以上上的的准准则方程。方程。式中：式中：A Ac c 对为槽道的流槽道的流动截面截面积，P P为润湿周湿
6、周长。传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer（3 3 3 3）对对于短管（考于短管（考于短管（考于短管（考虑虑入口效入口效入口效入口效应应） 对于于较短的管子及常短的管子及常见的尖角入口，推荐以下的尖角入口，推荐以下的修正系数：的修正系数：考考虑温度和短管修正后的迪温度和短管修正后的迪图斯斯- -贝尔特关特关联式式: :传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer（4 4 4 4）对对于弯管的修正于弯管的修正于弯管的修正于弯管的修正 由于管道弯曲改由于管道弯曲改变了了流体的流流体的流动方向，离
7、心力方向，离心力的作用会在流体内的作用会在流体内产生如生如图所示的二次所示的二次环流，流，结果果增加了增加了扰动，使，使对流流换热得到得到强化。化。对于气体：于气体： 对于液体：于液体： 传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer3. 3. 3. 3. 其它的其它的其它的其它的实验实验关关关关联联式式式式（1 1）齐德德- -泰特（泰特（Sieder-TateSieder-Tate）关）关联式：式：评价：价：误差大；近似适用于液体被加差大；近似适用于液体被加热的情况。的情况。（2 2）格尼林斯基（）格尼林斯基（GnielinskiGnielin
8、ski）关）关联式：式：评价：准确，与价：准确，与实验数据的均方根偏差数据的均方根偏差为 。该式也适用于式也适用于过渡区渡区传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer三、管槽内三、管槽内层流流换热关关联式式适用的参数范适用的参数范围：1. 赛德德尔塔特（塔特（Sieder-Tate）关）关联式式管子管子处于均匀壁温于均匀壁温传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer2. 2. 层层流充分流充分流充分流充分发发展展展展换热换热的的的的 NuNu 数数数数 对于于圆管：管：传热学学 Heat Tra
9、nsfer Heat Transfer Heat Transfer 四、本四、本节小小结 在本在本节我我们首先分析了管内流首先分析了管内流动和和换热的特征；的特征；然后然后给出了湍流情况下的出了湍流情况下的实验关关联式，重点是其中式，重点是其中的迪的迪图斯斯- -贝尔特关特关联式；式；对层流情况分流情况分别给出了出了处于入口段和充分于入口段和充分发展段的关展段的关联式。式。（1 1）实际问题的主要特征；的主要特征；（2 2）实验关关联式的适用条件；式的适用条件；（3 3）特征尺度、特征速度和定性温度的确定。）特征尺度、特征速度和定性温度的确定。 1. 1. 注意：注意：传热学学 Heat Tr
10、ansfer Heat Transfer Heat Transfer（1 1）利用雷）利用雷诺数判断流数判断流动的状的状态; ;（2 2）选用合适的用合适的实验关关联式式; ;（3 3）计算出努塞算出努塞尔数，数，进一步得到表面一步得到表面传热系数系数; ;（4 4）根据牛）根据牛顿冷却公式冷却公式计算出算出对流流换热量。量。 2. 2. 管槽内管槽内管槽内管槽内对对流流流流换热换热的一般步的一般步的一般步的一般步骤骤 传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer例例题：在一冷凝器中，冷却水以：在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流的流速流过内径
11、内径为10mm、长度度为3m的的铜管，冷却水的管，冷却水的进、出口温度分、出口温度分别为15和和65，试计算管内的表面算管内的表面传热系数。系数。从附从附录中水的物性表中可中水的物性表中可查得得 W/(mK)，m2/s，解：由于管子解：由于管子细长，l/d较大，可以忽略大，可以忽略进口段的影响。口段的影响。冷却水的平均温度冷却水的平均温度为传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat TransferW/(m2K)以上以上计算没考算没考虑流体物性流体物性场不均匀的影响。如果考不均匀的影响。如果考虑物性物性场不均匀的影响，必不均匀的影响，必须求出壁面温度，以确求出壁
12、面温度，以确定修正定修正项 。可以首先根据冷却水的温升。可以首先根据冷却水的温升确定确定换热量，再用上面量，再用上面计算的表面算的表面传热系数系数h 。管内强迫对流换热如何强化？书上P138思考作业传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer 按照概述中的分按照概述中的分类外外部流部流动的的强制制对流流换热主主要有横掠平板、外掠要有横掠平板、外掠单管管和外掠管束等情况。和外掠管束等情况。6-2 外部流外部流动强制制对流流换热实验关关联式（略）式（略）传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer一、横
13、掠一、横掠单管管换热实验关关联式式1. 流流动的特征的特征 流体横向流体横向绕流流单管管时的流的流动除了除了具有具有边界界层的特征的特征外，外，还要要发生生绕流流脱体，而脱体，而产生回流、生回流、漩漩涡和和涡束。束。传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer边界界层的成的成长和脱体决定和脱体决定了外掠了外掠圆管管换热的特征。的特征。低雷低雷诺数数时，回升点反，回升点反映了映了绕流脱体的起点。流脱体的起点。高雷高雷诺数数时，第一次回升，第一次回升是是层流流转变成湍流的原因，成湍流的原因，第二次回升第二次回升约在在则是由于脱体的是由于脱体的缘故。故
14、。2. 换热的特征的特征传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer3. 平均表面平均表面传热系数系数 h 计算的关算的关联式式对于高温气流冲刷的管子，若于高温气流冲刷的管子，若壁温壁温过高，可能高，可能发生爆管生爆管现象，象，在管子的那一点易在管子的那一点易发生？生？式中式中C、n 之之值见教材表教材表5-5定性温度取定性温度取 特征特征长度取管外径度取管外径d d特征流速取来流速度特征流速取来流速度 传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer二、外掠管束二、外掠管束换热实验关关联式式1. 1.
15、 流流动和和换热的特征的特征顺排排叉排叉排管束的排列方式有管束的排列方式有顺排和叉排两种形式。叉排中的排和叉排两种形式。叉排中的流流动扰动比比顺排排时要要剧烈，因此烈，因此换热也也较强。此外，。此外，管束的管束的间距距s1和和s2及管排数也影响及管排数也影响换热强度。度。传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer2. 2. 平均表面平均表面平均表面平均表面传热传热系数系数系数系数 h h 计计算的关算的关算的关算的关联联式式式式式中式中C、m 之之值见教材表教材表5-7,上式主要用于气体，因此上式主要用于气体，因此Pr数的影响数的影响归到了系数
16、到了系数 C 中。中。定性温度取定性温度取 特征特征长度取管外径度取管外径d d特征流速取管束中最窄截面特征流速取管束中最窄截面处的流速的流速 对于排数少于于排数少于1010排的管束，需要利用管排修正系排的管束，需要利用管排修正系数修正。数修正。该问题也可以采用表也可以采用表5-95-9和和5-105-10给出的关出的关联式式计算。算。传热学学 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer6-3 自然自然对流流换热及其及其实验关关联式式(略略) 自然自然对流流换热：其：其产生原因是由于固体壁面与流生原因是由于固体壁面与流体体间存在温差，使流体内部温度存在温差，使流体内部温度场不均匀，不均匀，导致密致密度度场的不均匀，于是在重力的不均匀，于是在重力场作用之下作用之下产生浮升力生浮升力而促使流体而促使流体发生流生流动，引起，引起热量交量交换。
