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1、5-7 外部流动强迫对流换热实验关联式 1、横掠单管换热实验关联式 按照势流实际，流体在圆柱体的前部流速会逐渐增大而压力会逐渐减小；流体在圆柱体的后部流速会逐渐减小而压力会逐渐增大。 但是，因流体黏性力的作用，在圆柱体的前部会构成流动边境层，速度会从势流流速逐渐改动到壁面上的零速度，这种速度改动以耗费流体动量为代价的，这一过程特征会坚持到势流流速到达最大值。 分分别别流流动动速度分布速度分布边境层速度分布边境层速度分布ut流体流体绕流流圆柱体柱体在其后的增压减速过程，流场中由压力转变来的动量会逐渐地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且和会在逆向压力
2、的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边境层发生分别。 分分别别流流动动速度分布速度分布边境层速度分布边境层速度分布ut流体流体绕流流圆柱体柱体实践上，由于边境层的开展，势流区的外形曾经不实践上，由于边境层的开展，势流区的外形曾经不是圆形，因此使流动的增压减速过程提早，也就使是圆形，因此使流动的增压减速过程提早，也就使流动分别位置提早。流动分别位置提早。 假设流体在分别之前流动边境层曾经从层流开展假设流体在分别之前流动边境层曾经从层流开展到紊流，由于紊流边境层中紊流动量交换的加强，到紊流，由于紊流边境层中紊流动量交换的加强，从而使边境层流动的分别向后推移。从而使边境层流动的分别向后推移。 绕流流
3、圆柱柱的的流流动: :当当Re10Re105Re105时流流动分分别点点在在=140=140处。 Re10Re10时，可忽略分可忽略分别的影响，摩擦阻力的影响，摩擦阻力对流流动起决起决议作用。作用。雷雷诺数数为 ，式中，式中，uu为来流速度，来流速度，d d为圆柱体外直径。柱体外直径。 在在 圆 柱柱 体体 的的 前前 端端=0=0处换热系系数数最最大大，而而在在分分别点点=82=82处换热系系数数最最小小；假假设在在边境境层从从层流流变为紊紊流流，那那么么转变点点=140=140处有有一一个个换热系系数数的的最最低低点点，紊紊流流边境境层的的分分别点点是是另另一一个个换热系数系数的最低点的最
4、低点 流体外掠横向擦过单根圆管换热的阅历关系式流体外掠横向擦过单根圆管换热的阅历关系式 : :ReCn0.440.9890.334400.9110.3854040000.6830.4664000400000.1930.618400004000000.0270.805C C、n n的值见下表所示的值见下表所示流流体体绕绕流流圆圆柱柱体体的的平平均均换换热热系系数数也也可可采采用用以以下下朱朱考考斯卡斯阅历公式计算斯卡斯阅历公式计算 : : 其其中中，特特征征流流速速为为流流体体最最小小截截面面处处的的最最大大流流速速umaxumax；特特征征尺尺寸寸为为圆圆柱柱体体外外直直径径d d；定定性性温
5、温度度除除PrwPrw按按壁壁面面温温twtw取取值值之之外外，其其他他皆皆用用流流体体的的平平均均温温度度tf tf ；是是思思索索在在选选用用tftf为为定定性性温温度度时时，热热流流方方向向不不同会对换热性能产生影响的一个修正系数。同会对换热性能产生影响的一个修正系数。C C、m m的值见下表所示的值见下表所示ReCm1400.750.44010000.510.510002000000.260.62105 1060.0760.7适用范围：适用范围：0.7 Pr 5000.7 Pr 500； 1 Red 106 1 Red 0.2,Ped0.2,那那么么流流体体外外掠掠单单管管的的对对流流
6、换换热热关关联联式式还还可可写为写为: :上式中，定性温度为上式中，定性温度为tw+tftw+tf/2./2.留留意意：如如右右图图所所示示，假假设设流流体体流流动动方方向向与与圆圆柱柱体体轴轴线线的的夹夹角角亦亦称称冲冲击击角角在在300- 300- 900900的的范范围围内内时时，那那么么平平均均外外表表传传热热系系数数可可按下式计算按下式计算 气流方向管子方向2、横掠管束换热实验关联式 管管束束长长圆圆柱柱体体束束是是由由多多根根长长管管长长圆圆柱柱体体按按照照一一定定的的的的陈陈列列规规那那么么组组合合而而成成的的。管管束束的的陈陈列列方方式很多，最常见的有顺排和叉排两种式很多，最常
7、见的有顺排和叉排两种 。ddS1S1S2S2umaxuutt(1)(1)叉排管束叉排管束 (2) (2)顺排管束顺排管束普普通通叉叉排排时时流流体体在在管管间间交交替替收收缩缩和和扩扩张张的的弯弯曲曲通通道道中中流流动动，扰扰动动更更猛猛烈烈，因因此此叉叉排排换换热热比比顺顺排排更更强强。但但顺顺排排那那么么流流动动阻阻力力小小，易易于于清清洗洗。所所以以顺顺排排和和叉叉排的选择要全面权衡。排的选择要全面权衡。另另外外，普普通通说说来来，后后排排管管的的换换热热要要好好于于第第一一排排管管，但但从从第第三三排排管管以以后后各各排排管管之之间间的的流流动动换换热热特特征征就就没没有有多多少少差差
8、别别了了。实实验验结结果果阐阐明明，当当管管排排排排数数超超越越1010排之后，换热性能就根本稳定不变了。排之后，换热性能就根本稳定不变了。 影影响响管管束束换换热热的的要要素素除除了了Re、Pr数数外外，还还有有陈陈列列方式、管间距、管束排数等方式、管间距、管束排数等 。气气体体外外掠掠管管束束对对流流换换热热的的平平均均外外表表传传热热系系数数 按按下下式式计计算算该该式式适适用用于于气气体体横横掠掠1010排排以以上上管管束束。式式中中，定定性性温温度度采采用用tm=(tw+tf)/2,tm=(tw+tf)/2,其其中中，tftf为为流流体体平平均均温温度度，特特征征尺尺寸寸为为管管外外
9、直直径径，特特征征流流速速为为管管排排流流道道中中最最窄窄处处的的流流速速。C C和和m m数数值值见见P176P176页页表表5-75-7。适适用用范范围围为为Ref Ref = 2000= 2000 40000.40000.对对于于排排数数少少于于10排排的的管管束束，平平均均外外表表换换热热系系数数应应在在上上式计算结果的根底上乘以一个小于式计算结果的根底上乘以一个小于1的管排修正系数。的管排修正系数。 n n的值见表的值见表5-85-8。1*其其它它有有关关外外掠掠管管束束对对流流换换热热的的平平均均外外表表传传热热系系数数计计算式朱考夫卡斯公式算式朱考夫卡斯公式此此式式适适用用于于计
10、计算算沿沿流流体体流流动动方方向向排排数数大大于于1616的的管管束束的的换换热热。式式中中，特特征征尺尺寸寸为为管管外外直直径径，特特征征流流速速为为管管排排流流道道中中最最窄窄处处的的流流速速，定定性性温温度度为为管管束束进进出出口口流流体体平平均均温温度度有有书书上上以以为为是是来来流流温温度度。 PrwPrw为为按按管管束束的的平平均均壁壁温温确确定定. .适适用用范范围围：Pr Pr = = 0.6 0.6 500. 500. 其其中中，C C和和m m值由下表选取。值由下表选取。2构造Red,maxCm顺排103 21050.270.63叉排ST/Sl 2 )103 21050.4
11、00.60顺排2105 21060.0210.84叉排2105 21060.0220.84*例例1：空空气气水水换热器器的的传热问题。空空气气横横向向流流过管管子子，在在流流动方方向向上上布布置置有有7排排。思思索索叉叉排排管管束束，管管子子纵向向和和横横向向的的间距距分分别是是SL=34.3mm和和ST=31.3mm，管管子子外外径径D=16.4mm。在在典典型型运运转条条件件下下，上上游游空空气气的的温温度度和和速速度度分分别是是15和和6m/s，管管子子的的外外表表温温度度是是70。试分析空气分析空气侧的的对流流换热系数是多少？系数是多少？如如取取来来流流温温度度为定定性性温温度度，即即
12、Tm=Tf=15，查物物性性 表表 得得 : =0.0253W/m K, =14.8210-6m2/s, =1.217kg/m3, Pr=0.710. 查Tw=70时Prw=0.701;分分析析：采采用用公公式式2计算计算由于：由于：(ST+D)/2因此，最大速度由下式计算因此，最大速度由下式计算代入有关数据，得代入有关数据，得于是得：于是得：又又因此根据朱考斯卡斯关联式，有因此根据朱考斯卡斯关联式，有因此因此计算得：计算得：于是最后可得：于是最后可得：例例2：锅炉炉中中，烟烟气气横横掠掠4排排管管组成成的的顺排排管管束束。知知管管外外径径d=60mm，s1/d=2, s2/d=2, 烟烟气气
13、平平均均温温度度tf=600，管管束束外外表表tw=120。假假设知知烟烟气气通通道道最最窄窄处的的平平均均流速流速u=8m/s，试求管束平均外表求管束平均外表传热系数。系数。分分析析：假假设取取定定性性温温度度 tm=(tw+tf)/2=360，那那么么可可查 得得 烟烟 气气 物物 性性 参参 数数 为 =5.3610-2W/m K，=54.610-6m2/s。于是得：于是得：雷诺数落在雷诺数落在2000 40000之间，可套式之间，可套式1计算。计算。查表查表57，得：，得：由于由于s1/d=2, s2/d=2于是得换热系数得准那么关联式为：于是得换热系数得准那么关联式为：那么，平均外表换热系数为那么，平均外表换热系数为由由于于排排数数少少于于10，对对于于顺顺排排流流动动，思思索索管管排排修修正正，最后得管束平均外表传热系数为最后得管束平均外表传热系数为Exe: p197_5-50, 5-51, 5-55第第4章习题课。章习题课。
