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1、5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、综述一、综述 管内单相流体强迫对流传热的热流量管内单相流体强迫对流传热的热流量1、流态及判断、流态及判断用雷诺数用雷诺数Re判别判别v层层 流：流：Re104 5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、综述一、综述 由由牛牛顿顿冷冷却却公公式式，管管内内单单相相流流体体强强迫迫对对流流传传热的热流量热的热流量2、流动边界层的形成与发展、流动边界层的形成与发展v流流体体进进入入管管口口后后，开开始始形形成成边边界界层层，并并随随流流向向逐逐渐渐增增厚厚。在在稳稳态态下下，管管中中心心流流速速将将随随边边
2、界界层层的的增增厚厚而而增增加加，经经过过一一段段距距离离，管管壁壁两两侧侧的的边边界界层层将将在在管管中中心心汇汇合合，厚厚度度等等于于管管半半径径，同同时时管管断断面面流流速速分分布布和和流流动动状状态态达达到到定定型型，这这一一段段距距离离通通称称流流动动进进口口段段。之之后后，流流态态定定型型，流流动动达到充分发展，称为达到充分发展，称为流动充分发展段流动充分发展段。 3、换热特征、换热特征 v热热边边界界层层同同样样存存在在进进口口段段与与充充分分发发展展段段，流流动动进进口口段段与与热热进进口口段段的的长长度度不不一一定定相相等等，这这取取决决于于Pr：当当Pr1时，流动进口段比热
3、进口段短时，流动进口段比热进口段短当当Prl时，流动进口段比热进口段长时，流动进口段比热进口段长v热进口段长度热进口段长度L（L/d10-45）常壁温条件常壁温条件下：下：L/d0.05RePr常热流条件常热流条件下：下：L/d0.07RePr 3、换热特征、换热特征 v在在Pr1情情况况下下，当当流流动动达达到到充充分分发发展展时时，换换热热也也进进入入热热充充分分发发展展段段，无无因因次次温温度度分分布布达达到到定定型型，表表面面传传热热系系数数保保持持不不变变。在在进进口口处处，边边界界层层最最薄薄，hx具具有有最最高高值值，随随后后降降低低。在在层层流流情情况况下下，hx趋趋于于不不变
4、变值值的的距距离离较较长长。在在紊紊流流情情况况下下，当当边边界界层层转转变变为为紊紊流流后后，hx将将有有一一些些回回升升，并并迅迅速速趋趋于于不变值。不变值。入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度层流入口段长度: : 湍流时湍流时: :层流层流湍流湍流二、管内湍流强迫对流传热 定定性性温温度度采采用用流流体体平平均均温温度度tf；特特征征长长度度为为管管内径内径di；特征流速特征流速f。流体被加热时，流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，；流体被冷却时，n=0.3 适用条件：适用条件：温差范围：油温差范围：油10，水，水20，气体，气体50长、直管长、直管否则，需要修正：否
5、则，需要修正： ct温度修正系数温度修正系数 cl短管管长修正系数短管管长修正系数 cR弯管修正系数。弯管修正系数。v（1）温度的影响）温度的影响ctv液体：液体：主要是粘性随温度而变化主要是粘性随温度而变化v气体：气体：除了粘性，还有密度和热导率等除了粘性，还有密度和热导率等v1、影响对流换热的几个因素影响对流换热的几个因素 当当流流体体温温度度tf和和壁壁面面温温度度tw相相差差较较大大时时，温温度度场场影影响响速速度度场场，从从而而影影响响对对流流传传热热系系数数。主主要要影影响响流流体体的的粘粘度度，同同时时管管道道的的安安放放位位置置及及热热流流密密度度的方向不同，速度分布也不同。的
6、方向不同，速度分布也不同。v下列温差范围需要修正气体：tw-tf50水：tw-tf20油类：tw-tf10v液体被加热v液体被冷却v气体被加热v气体被冷却（2）入口效应影响）入口效应影响cl 流流体体进进入入管管道道后后，从从入入口口处处开开始始，沿沿流流动动方方向向边边界界层层逐逐渐渐增增厚厚，并并由由层层流流边边界界层层转转变变为为湍湍流流边边界界层层，最最后后边边界界层层在在管管道道中中心心处处汇汇合合，边边界界层层厚厚度度等于管半径，而进入充分发展段。等于管半径，而进入充分发展段。 hx的的变变化化：入入口口段段的的hx比比充充分分发发展段展段的的hx大大对于对于L/d 50短管，应进
7、行修正：短管，应进行修正：v修正系数见图修正系数见图6-3v采用公式采用公式v（3）弯管效应）弯管效应离心力离心力二次环流二次环流换热增强换热增强修正系数：修正系数：气体：气体：液体：液体：2 2、非圆形截面槽道、非圆形截面槽道 用用当当量量直直径径作作为为特特征征尺尺度度应应用用到到上上述述准则方程中去。准则方程中去。 式式中中： 为为槽槽道道的的流流动动截截面面积积；P P 为为湿周长。湿周长。 注注：对对截截面面上上出出现现尖尖角角的的流流动动区区域域，采采用当量直径的方法会导致较大的误差。用当量直径的方法会导致较大的误差。3 3、其它形式的关联式、其它形式的关联式希德希德泰勒公式：稠油
8、、高含蜡原油泰勒公式：稠油、高含蜡原油格尼林斯基公式：计算确定度最高格尼林斯基公式：计算确定度最高4 4、强化传热措施、强化传热措施d，h ， h，但要考虑经济性，但要考虑经济性 弯管（螺旋管）、短管弯管（螺旋管）、短管选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）加强扰动加强扰动三、管内层流强迫对流传热三、管内层流强迫对流传热 从从入入口口开开始始，边边界界层层沿沿程程不不断断加加厚厚，边边界界层层的的流流速速较较小小。为为了了保保证证流流量量不不变变，边边界界层层外外流流速速增增加加，边边界界层层急急需需增增厚厚，最最后后在在管管中中心心线线汇汇合合，整整
9、个个管管子子被被层层流流边边界界层占据。层占据。入口段：入口段：充分发展段：充分发展段：hx的变化的变化：入口段的：入口段的hx比充分发展段的比充分发展段的hx大大 实际工程换热设备中，层流时的换热常常处实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列于入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式：齐德泰特公式： 适用条件：四、管内过渡区强迫对流传热四、管内过渡区强迫对流传热五、计算步骤五、计算步骤确定特征温度确定特征温度(有时需假设有时需假设)，查物性参数，查物性参数计算计算Re，判别流动形态（若不能求得，判别流动形态（若不能求得Re数，数，先先假设流态假设流态计算，再校核）计算，再
10、校核）根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修正，未知的先正，未知的先假设假设为为1，再校核），再校核）求求Nu和和h利用利用能量守恒定律能量守恒定律，求其它物性参数，求其它物性参数校核校核说明：说明：求管长求管长: 求出换热系数后，由能量守恒公式求出换热系数后，由能量守恒公式 如何从质量流量求速度如何从质量流量求速度 v例例题题5-1：在在流流体体的的物物性性和和流流道道截截面面的的周周长长相相同同的的条条件件下下, 圆圆管管和和椭椭圆圆管管内内单单相相流流体体的的受受迫迫紊紊流换热流换热, 何者换热系数大何者换热系数大?为什么为什么? 答：椭圆管的换热系
11、数大。因为答：椭圆管的换热系数大。因为hd-0.2，椭圆管，椭圆管的的de圆管的圆管的d。对于周长相同的圆和椭圆，其。对于周长相同的圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而中椭圆的面积小于圆的面积，而 de=4f/U，则，则de(椭圆椭圆)d(圆圆) 。 例例题题5-2 在在一一冷冷凝凝器器中中，冷冷却却水水以以1m/s的的流流速速流流过过内内径径为为10mm、长长度度为为3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度度分分别别为为15和和65，试试计计算算管管内内的的表表面面传热系数。传热系数。解：解：由于管子细长，由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段较大，可以忽略进口段的影响。
12、冷却水的平均温度为的影响。冷却水的平均温度为 从附录从附录7中水的物性表中可查得中水的物性表中可查得 f=0.635W/m.K，vf=0.65910-6m2/s，Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 管内流动为旺盛紊流。管内流动为旺盛紊流。 计算壁面温度计算壁面温度核对温差核对温差 不在范围内，需要修正温差，重新计算不在范围内，需要修正温差，重新计算Nu，h 计算壁面温度计算壁面温度5-6 5-6 外部流动强制对流传热的计外部流动强制对流传热的计算关联式算关联式外外部部流流动动：换换热热壁壁面面上上的的流流动动边边界界层层与与热热边边界界层层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。能自由发展
13、，不会受到邻近壁面存在的限制。纵掠平壁纵掠平壁横掠单管（柱）横掠单管（柱）横掠管束横掠管束（自学）（自学）5-7 5-7 自然对流传热自然对流传热v自自然然对对流流传传热热流流体体在在浮浮升升力力作作用用下下的的对流换热对流换热大大空空间间的的自自然然对对流流传传热热：边边界界层层的的形形成成和和发展不受周围物体的干扰发展不受周围物体的干扰（主要介绍）（主要介绍）有限空间自然对流传热：有限空间自然对流传热：受干扰受干扰一、大空间的自然对流传热一、大空间的自然对流传热1 1、形成的主要原因、形成的主要原因 静静止止流流体体与与壁壁面面间间温温度度差差是是流流体体产产生生对对流流和和换热的根本原因
14、。换热的根本原因。温度差温度差密度差密度差浮升力浮升力( (沉降力沉降力)流体沿壁面向上流体沿壁面向上( (下下) )流动流动 例例如如：暖暖气气管管道道的的散散热热、不不用用风风扇扇强强制制冷冷却却的的电器元件的散热电器元件的散热2 2、边界层的形成与发展、边界层的形成与发展 设设板板温温高高于于流流体体的的温温度度。板板附附近近的的流流体体被被加加热热因因而而密密度度降降低低( (与与远远处处未未受受影影响响的的流流体体相相比比) )，向向上上运运动动并并在在板板表表面面形形成成一一个个很很薄薄的的边边界界层层。如如果果竖竖板板足足够够高高，到到一一定定位位置置也也会会从从层层流流发发展展
15、成成为为湍湍流流边边界界层层。自自然然对对流流湍湍流流时时的的换换热热当当然然也也明明显强于层流。显强于层流。（1 1）温度：）温度：与纵掠平板类似与纵掠平板类似（2 2）速度：）速度：中间大，两边小中间大，两边小（3）局部对流换热系数：）局部对流换热系数： 传传热热系系数数开开始始时时因因边边界界层层增增厚厚逐逐渐渐减减小小，后后又又由由于于层层流流边边界界层层向向湍湍流流边边界界层层过过渡渡，边边界界层层内内流流体体的的掺掺混混作作用用使使边边界界层层热热阻阻减减小小，hx，转转变变为为湍湍流流边边界界层层后后，边边界层充分发展，界层充分发展，hx基本不变。基本不变。v竖壁、竖圆柱：GrP
16、r109 v横圆柱：GrPr1.5108 v水平板热面朝上：GrPr5106 （4）判判别别层层流流与与湍湍流流（不不同同形形状状的换热面标准不同）的换热面标准不同）：vGrGr称称为为格格拉拉晓晓夫夫数数，在在物物理理上上，GrGr数数是是浮浮升升力力/ /粘滞力粘滞力比值的一种量度。比值的一种量度。 vGrGr数的增大表明浮升力作用的相对增大。数的增大表明浮升力作用的相对增大。v自然对流换热准则方程式为自然对流换热准则方程式为工程中广泛使用的是下面的关联式：工程中广泛使用的是下面的关联式：对于符合理想气体性质的气体，对于符合理想气体性质的气体， 。 二、大空间自然对流换热的实验关联式二、大
17、空间自然对流换热的实验关联式式中：式中：定性温度定性温度采用膜平均温度采用膜平均温度1、恒壁温特征长度特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。横圆柱取外径。 常数常数C和和n的值见下表。的值见下表。 注注：竖竖圆圆柱柱按按下下表表与与竖竖壁壁用用同同一一个个关关联联式式只限于以下情况：只限于以下情况：壁面形状与位置流动情况特征长度Cn适用范围GrPr垂直平壁或圆柱壁面高度0.590.101/41/3水平圆柱圆柱外径d0.850.480.1250.1881/41/3水平热壁上面或水平冷壁下面平壁面积与周长之比A/U圆盘取0.9d0.540.151/41/3水
18、平热壁下面或水平冷壁上面平壁面积与周长之比A/U圆盘取0.9d0.271/42 2 2 2、恒热流密度、恒热流密度、恒热流密度、恒热流密度( ( ( (电子、电气元件自然对流电子、电气元件自然对流电子、电气元件自然对流电子、电气元件自然对流) ) ) ) 壁壁壁壁面面面面热热热热流流流流密密密密度度度度给给给给定定定定，但但但但壁壁壁壁面面面面温温温温度度度度未未未未知知知知，并并并并且且且且沿沿沿沿壁壁壁壁面面面面分分分分布布布布不不不不均均均均匀匀匀匀，往往往往往往往往需需需需要要要要确确确确定定定定局局局局部部部部壁壁壁壁面面面面温温温温度度度度。对对对对于于于于垂垂垂垂直直直直壁壁壁壁
19、面面面面，引进一个引进一个引进一个引进一个修正的局部格拉晓夫数修正的局部格拉晓夫数修正的局部格拉晓夫数修正的局部格拉晓夫数 层流：层流：层流：层流：湍流：湍流：湍流：湍流：定性温度：定性温度：定性温度：定性温度：，由于，由于，由于，由于t tw w,x ,x未知，需采用试算法。未知，需采用试算法。未知，需采用试算法。未知，需采用试算法。小小 结结 （1 1）对流换热的影响因素；对流换热的影响因素；对流换热的影响因素；对流换热的影响因素； （2 2）对流换热的数学模型；对流换热的数学模型；对流换热的数学模型；对流换热的数学模型； （3 3）边界层概念及其特征，对求解对流换热问题的意义；边界层概念
20、及其特征，对求解对流换热问题的意义；边界层概念及其特征，对求解对流换热问题的意义；边界层概念及其特征，对求解对流换热问题的意义； （4 4 4 4）对流换热问题解的形式对流换热问题解的形式对流换热问题解的形式对流换热问题解的形式特征数关联式；特征数关联式；特征数关联式；特征数关联式； （5 5）NuNu、ReRe、PrPr、GrGr表达式及其物理意义；表达式及其物理意义；表达式及其物理意义；表达式及其物理意义； （6 6 6 6）相相相相似似似似原原原原理理理理主主主主要要要要内内内内容容容容及及及及其其其其对对对对解解解解决决决决对对对对流流流流换换换换热热热热问问问问题题题题的的的的指指指
21、指导导导导意义；意义；意义；意义； （7 7 7 7）单单单单相相相相流流流流体体体体管管管管内内内内强强强强迫迫迫迫对对对对流流流流、外外外外掠掠掠掠壁壁壁壁面面面面、自自自自然然然然对对对对流流流流换换换换热热热热的特点及其影响因素；的特点及其影响因素；的特点及其影响因素；的特点及其影响因素； （8 8 8 8）会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。本章作业本章作业5-15-1，5-55-5，5-85-8，5-105-10，5-165-16，5-215-21，5-225-22
