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1、1/436.4 外部流动强制对流换热外部流动强制对流换热实验关联式实验关联式2/43一、外掠等温平板一、外掠等温平板( (laminar flow, Re1616消失消失冲刷方向有影响冲刷方向有影响( (冲角冲角) )13/432.2.平均换热特性的实验关联式平均换热特性的实验关联式14/43 茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很 宽的宽的 数变化范围内更便于使用的公式。数变化范围内更便于使用的公式。 式中：定性温度为进出口流体平均温度；式中：定性温度为进出口流体平均温度； 按管按管 束的平均壁温确定；束的平均壁温确定； 数中的流速取管束数中
2、的流速取管束 中最小截面的平均流速；特征长度为管子外中最小截面的平均流速；特征长度为管子外 径。径。实验验证范围：实验验证范围：顺排（顺排（1616排）排）15/43叉排（叉排（1616排）排）管排修正系数管排修正系数e en16/43例题例题6-5,P2626-5,P26217/436.5 自然对流换热实验自然对流换热实验关联式关联式18/43一、工程背景一、工程背景1.1.暖气管散热暖气管散热4.4.冰箱冰箱( (冰箱里食物不要装得太满冰箱里食物不要装得太满) )2.2.室外变压器散热室外变压器散热3.3.事故条件下核反应堆散热事故条件下核反应堆散热5.5.电子器件冷却电子器件冷却19/4
3、3二、现象及特点二、现象及特点1.1.定义：自然对流是由于流体中各部分密度不均匀而定义：自然对流是由于流体中各部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分割地联系在一起驱动力：温度场不均匀驱动力：温度场不均匀; ;重力作用重力作用不均匀的温度场不一定引起自然对流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与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动2.2.理解理解换热很弱，通常为主要热阻，但经济、安全、平静换热很弱，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
4、间的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自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热(50%)(50%)20/433.3.自然对流换热现象的速度与温度分布特点自然对流换热现象的速度与温度分布特点Tw T思考：思考：Tw T21/43层流层流湍流湍流判别流态的特征数是判别流态的特征数是Gr数，数，类比于类比于Re数，不是数，不是( (GrPr)4.4.自然对流的两种流动形态自然对流的两种流动形态4.4.分类分类大空间大空间( (边界层不受干扰边界层不受干扰) )(infinite space)有限空间有限空间( (空间大小对换热效果有影响空间大小对换热效果
5、有影响) )(natural convection in enclosure)22/4323/4324/43三、自然对流换热现象的控制方程及相似特征数三、自然对流换热现象的控制方程及相似特征数1.1.以竖直平板上空气被加热为例以竖直平板上空气被加热为例浮升力浮升力( (buoyancy force) )是重力与压力梯度综合作用结果是重力与压力梯度综合作用结果25/432.2.相似特征数的导出相似特征数的导出无量纲化无量纲化浮升力与粘性力之比的一种度量浮升力与粘性力之比的一种度量26/433.3.相似特征数方程相似特征数方程四、大空间自然对流换热实验关联式四、大空间自然对流换热实验关联式1.1.
6、均匀壁温均匀壁温实用关联式形式实用关联式形式说明说明C及及n见表见表610， tm=(tw+t)/2，特征长度为表面高度，特征长度为表面高度l (竖平板及竖圆柱竖平板及竖圆柱)，外径，外径d(横圆柱横圆柱)a.a.上式虽然是对均匀壁温得出，但对非均匀壁温情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，取其形也近似适用，取其平均壁温平均壁温计算计算b.Grb.Gr中中，气体按理想气体处理，气体按理想气体处理， =1/T =1/T，液体查，液体查物性手册物性手册27/43d.d.竖圆柱可以归为竖壁的条件：竖圆柱可以归为竖壁的条件：c.c.一般一般: :e.e.在湍流范围以内，在湍流范围以
7、内，Nu中的中的l与与Gr中的中的l 可以消掉，可以消掉，h与高度与高度l无关无关，“自模化自模化”28/432.2.均匀热流均匀热流式中式中：定性温度取平均温度，特征长度对矩形取短边长。定性温度取平均温度，特征长度对矩形取短边长。29/43例例6-6 6-6 室温为室温为1010的大房间中有一个直径为的大房间中有一个直径为15cm15cm的烟囱，其的烟囱，其竖直部分高为竖直部分高为1.5m1.5m，水平部分长，水平部分长15m15m。求烟囱的平均壁温为。求烟囱的平均壁温为 110 110 时，每小时的对流散热量。时，每小时的对流散热量。解：平均温度解：平均温度由附录查得，由附录查得，60 6
8、0 时空气的物性时空气的物性（1 1）烟囱竖直部分的散热）烟囱竖直部分的散热30/43由表由表6-106-10知知31/43（2 2）烟筒水平部分的散热）烟筒水平部分的散热由表由表6-106-10知是层流知是层流所以所以32/43五、有限空间自然对流换热实验关联式五、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两种最简单而典型的有限空间自然对流1.1.竖夹层竖夹层( (双层窗双层窗) )2.2.水平夹层水平夹层( (太阳能集热器的空气夹层太阳能集热器的空气夹层) )33/433.3.特点：夹层厚度对流动开展有重要影响，冷热面温差特点：夹层厚度对流动开展有重要影响，冷热面温差
9、是引起流动的动力，一般以是引起流动的动力，一般以为特征长度，为特征长度，(th - tc)为计为计算算Gr的温差的温差另外经常需考虑辐射换热另外经常需考虑辐射换热34/434.4.实验关联式实验关联式35/43例例6-8 6-8 一个竖封闭夹层，两壁由边长为一个竖封闭夹层，两壁由边长为0.5m0.5m的方形壁组成，的方形壁组成，两壁间距为两壁间距为15mm15mm，温度分别为，温度分别为100 100 ，40 40 。试计算通过此空。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。气夹层的自然对流换热量。解：定性温度为两壁的平均温度解：定性温度为两壁的平均温度从附录查得空气物性为从附录查得空气物性为对于
10、空气：对于空气：36/43按式按式6-466-46计算，即计算，即所以所以自然对流换热量按牛顿冷却公式计算自然对流换热量按牛顿冷却公式计算37/43六、六、 自然对流与强制对流并存的混合对流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自然对流在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流考察浮升力与惯性力的比值考察浮升力与惯性力的比值 一般认为，一般认为， 时，自然对流的影响不能忽略，时，自然对流的影响不能忽略， 而而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以时，强制对流的影响相对于自然对流可以 忽略不计。忽略不计。 自然对流对总换热量的影响低于自然对流对总换热量的影
11、响低于1010的作为纯强制对流；的作为纯强制对流；强制对流对总换热量的影响低于强制对流对总换热量的影响低于1010的作为纯自然对流；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。这两部分都不包括的中间区域为混合对流。38/43本章作业本章作业6-6、6-10、6-21、 6-26 、 6-37、6-43 、 6-5339/436.6 单相对流换热总结单相对流换热总结40/431.1.对流换热是如何分类的对流换热是如何分类的? ? 影响对流换热的主要物理因素影响对流换热的主要物理因素. .2.2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程对流换热问题的数学描写中包括那些方程? ?3.3.自然
12、对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别? ?4.4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数从流体的温度场分布可以求出对流换热系数( (表面传热系表面传热系 数数), ), 其物理机理和数学方法是什么其物理机理和数学方法是什么? ?5.5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义. .6.6.管外流和管内流的速度边界层有何区别管外流和管内流的速度边界层有何区别? ?7.7.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? ?8.8.从边界层积分方
13、程的应用结果来说明从边界层积分方程的应用结果来说明. .9.9.为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度? ?10.10.对十分长的管路对十分长的管路, , 为什么在定性上可以判断管路内层流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对流换热系数是常数? ?41/4311.11.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组? ?12.12.如何将边界层对流换热微分方程组转化为无量纲形式如何将边界层对流换热微分方程组转化为无量纲形式? ?13.13.为什么说对强制对流换热问题为什么说对强制对流换热问题, ,
14、总可以有总可以有: Nu=f(Re,Pr) : Nu=f(Re,Pr) 的数学方程形式的数学方程形式? ?14.14.什么是特性长度和定性温度什么是特性长度和定性温度? ? 选取特性长度的原则是什么选取特性长度的原则是什么? ?15.15.对管内流和管外流对管内流和管外流, Re, Re准则数中的特性长度的取法是不一准则数中的特性长度的取法是不一 样的样的. . 说明其物理原因说明其物理原因. .16.16.当量水利直径的定义和计算方法当量水利直径的定义和计算方法. .17*.17*.湍流动量扩散率湍流动量扩散率, , 湍流热扩散率湍流热扩散率, , 湍流普朗特数是如何湍流普朗特数是如何 定义
15、的定义的? ? 它们是物性么它们是物性么? ? 1818*. .什么是雷诺比拟什么是雷诺比拟? ? 它怎样推导出摩擦系数和对流换热系它怎样推导出摩擦系数和对流换热系 数间的比拟关系式数间的比拟关系式? ?19.19.什么是相似原理什么是相似原理? ? 判断物理相似的条件判断物理相似的条件? ? 相似原理在工程相似原理在工程 中有什么作用中有什么作用? ?42/4320.20.比拟和相似之间有什么联系和区别比拟和相似之间有什么联系和区别? ?21.21.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法使用相似分析法推导准则关系式的基本方法. .22.22.使用使用 定理推导准则关系式的基本方法定理推导准则
16、关系式的基本方法. .23.Nu, Re, Pr, Gr23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义准则数的物理意义. .24.24.在有壁面换热条件时在有壁面换热条件时, , 管内流体速度分布的变化特点管内流体速度分布的变化特点. .25.25.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法管内强制对流换热系数及换热量的计算方法. .如何确定如何确定 特性长度和定性温度特性长度和定性温度? ? 26.26.流体横琼单管和管束时对流换热的计算方法流体横琼单管和管束时对流换热的计算方法. . 27.27.竖壁附近自然对流的温度分布竖壁附近自然对流的温度分布, ,速度分布的特点速度分布的特点? ?
17、换热换热 系数的特点系数的特点? ?28.28.大空间自然对流换热的计算方法大空间自然对流换热的计算方法. .如何确定横管和竖管如何确定横管和竖管 的特性长度的特性长度? ?29.29.如何区分自然对流是属于大空间自然对流还是受限空如何区分自然对流是属于大空间自然对流还是受限空 间自然对流间自然对流? ?43/4330.30.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 换热问题换热问题? ?31.31.如何使用实验数据整理对流换热准则数实验方程式如何使用实验数据整理对流换热准则数实验方程式? ?32.32.对自然对流换热对自然对流换热, , 自模化的物理意义及工程应用意义自模化的物理意义及工程应用意义. .33.33.混合对流的概念混合对流的概念. .
