戴锅生思考题对流部分

《传热学》戴锅生（二）思考题21第五章对流传热原理５－１对流传热是贴壁层流体导热和边界层流体热对流的综合影响，流体热导率和携热量能力c影响着对流体传热系数。空气、氢气和水的物性详见下表。冷却介质空气氢气水相对值空气氢气水λ(w/(mk))0.02780.19420.64316.9923.1ρ(kg/m3)1.0930.075598810.069904c(J/kgk)0.2413.991.161116.54.8c(J/m2k)0.2630.301114711.144361由λ和c都可看出：水优于氢气，更优于空气。电机冷却情况证实了这一点。５－２流动边界层是由于流体粘度造成速度变化的区域，热边界层是由于流体的热扩散率造成温度变化的区域，它们的厚度之比应与形成流动边界层和热边界层的流体粘度和热扩散率a比有关，即与普朗特数有关，理论上已证明：3Pr1~t。５－３图中a为粘性油的分布图，b为液态金属的。因粘性油的普朗特数较大，所以t。5-4开始时，随着层流边界层厚度的增加，局部对流传热系数下降，过渡区，由于层流向紊流边界层过渡，扰动增加，虽然边界层厚度增加更快，但局部对流传热系数由于流体横向（垂直壁面方向）掺合，hx反而增加。以后由于层流底层厚度和流边界层厚度的增加，hx稍有下降，并逐步接近于一恒定值h∞。５－５边界层中贴壁层温度梯度最大，由0ywxyttth，对于一定的流体，热导率为常数，在壁温和流体温度不变的情况下，0~yxyth所以，对于同一对流传热温差的同一流体，可用0yyt的大小来判断上对流传热系数的大小。５－６对流传热是先通过贴壁层流体的导热，以后由流体持热量携带走，所以对流传热与流动的热导率以及流体携带热量的能力c有关。对流传热与流体流动情况有关，而流动情况与雷诺数有关，雷诺数与粘度有关，所以对流传热与粘度有关，自然对流传热时，同一温度下流体流动状况还与体膨胀系数有关。５－７它们都是能量微分方程，但边界层能量微分方程考虑了流体对流携带的热量，而固《传热学》戴锅生（二）思考题22体导热微分方程不考虑对流携带的热量，如边界层内流体速度均为零，则边界层能量微分方程变为固体的导热微分方程。５－８粘性油δ与x在同一数量级，液态金属，δt与x在同一数量级，不符合边界层理论，。所以，边界层对流传热微分方程组不适用于粘性的，也不适用于液态金属。５－９雷诺数太大，动能转变成热能必须计算，即要考虑耗散项，而该方程组在推导过程中未考虑，又雷诺数太大，滞止温度较高，边界层内温度变化显著，引起物性值变化较大，而推导方程组所按常物性处理。5-10略5-11Pr),(GrfNufhdNu0)(ttldhwoccIUrc)(44TTldwbor23)(vdttgGrowV分析后得出实验中要测量：（１）试验管的外径d0，长度l,表面温度tw,（多点平均，不仅沿长度分布，还要沿不同周向角分布），表面发射率ε；（２）流体（空气）的温度t∞（压力为大气压，变化不大，如要考虑气压变化的影响。可测大气压力，（３）加热电源供给管中加热器的电压U和电流强度I。５－１２scfchlBihlNu,差别：（１）lc都是定型尺寸，但前者指流体通道尺寸，如当量直径de或流体流过的壁长等，后者指固体某一尺寸如肋片厚度之半，与流体没有直接关系。（２）前者λf为流体热导率，而后者λs为固体壁材料的热导率。（３）大多数情况下前者h为待求值，后者h为已知值。５－１３hx仍受流速v的影响，因为v影响着流动边界层厚度δ，从而影响热边界层厚度δt，以及贴壁层y=0，温度变化率。５－１４无论是层流还是湍流，从入口起，边界层形成并发展，到充分发展段边界层厚度均为管道半径R，所以影响对流传热系数的尺寸是管子内径，而不是管长，虽然入口段管长也影响hx，但与管径相比，仍是次要的影响因素，所以定型尺寸用管子内径，不用管长。《传热学》戴锅生（二）思考题23５－１５ν↑，Pr↑,但Re↓，mnnmnmadCCNu~)()(PrRe，由于nm，n-m为负值，所以ν增加h减小。５－１６UAde4，Ａ为流动截面积，它比管道横截面积更恰切，当管道未被流体充满时，Ａ只能为流动截面积，不能为管道横截面积，一般情况下，二者一致，另外，此式是在壁面上沿流动截面切应力τ均匀的情况下推导出来的，对于层流和截面上有横向二次环流者均不适用，流道有尖角时即使是湍流也不适用。第六章单相流体对流传热特征数关联式６－１8.03.18.08.028.022.08.02.08.0)4(,)4()4(AAdqAdddAdAhV其中（１）流速增加一部，74.12)(8.08.01212hh（２）直径缩小一半（速度不变），149.12)(2.02.02112ddhh（３）直径缩小一半（体积流量不变），48.32)(8.18.12112ddhh６－２短管：入口段边界层厚度从零开始增加，到dl很大时，hh，由于入口段边界层较薄，hx较大，使1hh，即短管修正系数〉1。弯管：二次环流使弯曲处hx↑管排：由于尾流的作用，涡旋强化传热，使h1h2h3……hz，当管排数〉20时，增加不多基本上稳定达到最大值，管排修正系数〈1。６－３湍流时层流底层很薄，粗糙管突起物露出层流底层，使体流过时产生扰动，强化了传热，所以粗糙管湍流强迫对流传热系数与粗糙程度有关，且比光滑管大。６－４由图６－８和式（６－２２）可见，流体冲刷单管时00处h最大，锅炉过热器第一排管束受冲刷情况与烟气冲刷单管相仿，所以Ａ点对流传热强烈，加上过热器前烟气空间中烟气的辐射传热，使第一排管Ａ点热流密度很大而引起超温，甚至爆管而被迫停炉。最后一排管子的Ｂ点对流传热系数也较大，后面的烟气空间也大，虽然烟温有所下降，《传热学》戴锅生（二）思考题24最后一排管子的Ｂ点也有超温的可能性。所以，锅炉设计中必须对过热器第一排管子Ａ点（前驻）和最后一排管束Ｂ点进行过热器壁温度核，检查是否超温，如有超温现象，必须采取措施或重新设计。６－５进入流动充分发展段后，速度v(r,x)不沿轴向Ｘ变化，但此刻流体一边流动一边吸热或放热，流体温度t(r,x)不仅沿径向r变化，而且沿轴向x变化，但由于截面平均温度也在作同样的变化，所以其相对过余温度不沿x方向变化，称为热定型段或热充分发展段。６－６流体斜向冲刷（斜掠）单管或管束时，前部管子受到流体垂直冲击作用减小，使前半部局部对流传热系数h减少，斜向冲刷相当于垂直冲刷椭圆管，椭圆管曲率变小，圆管后半部流体分离作用减弱，后半部h也减小，总之，与垂直冲刷圆管相比，平均对流传热系数减小，斜掠时修正系数〈1。６－７横掠管束：zpkWfnmooCCssddCh)()PrPr(Pr)(21。由于pCPr，所以上式改为zpkWfmmnmonmfnpCCssdCch)()PrPr(~2111max，强化横掠管束对流传热的措施①maxf②do↓③φ↓，垂直冲刷④加隔板（如壳管式换热器），减少流体纵掠，同时可使maxf⑤选用λ、ρ、c大的流体⑥选用粘度小的流体，nm⑦增加管排数，使Cz↑⑧改用叉排（一般雷诺数范围内，叉排好于顺排）。６－８在竖管内流体如自上向下流动且被加热时，壁面附近流体由于变热而有上升的趋势，使这些流体向下流动的速度减慢，如流体在管内自下而上流动且被管子冷却，也使壁面附近流体流速减小，这两种情况都减少了流体的冲刷作用而使混合对流传热系数小于纯强迫对流时对流传热系数。流全在管内自上向下流动且被冷却或流体自下上流动且被加热，自然对流方向与强迫流动方向一致，使流体在壁面附近速度增加，混合对流传热时对流传热系数大于纯强迫对流时对流传热系数。流体在水平管内流动时流动方向与自然对流方向垂直，流体自然对流不会使壁面处流体流速减慢混合对流传热系数总大于纯强迫对流传热系数，如1.0Re2Gr，二者近似相等。６－９流体边界层温度场影响着流体的物性值，对于液体，主要影响着动力粘度，对密度影响不大，所以对于液体进行粘度修正，即温度修正系数用粘度来修正。对于气体，边界层温度场不但影响其粘度，而且引起密度，热导率等变化，而这些变化与其绝对温度都有一定的函数关系，所以用温度来修正。６－１０摩托车开动后，空气纵掠内燃车气缸肋片，这是流体纵掠平壁，由于肋片不大，《传热学》戴锅生（二）思考题25空气在肋片上基本上只形成层流边界层，沿着空气流动方向上层流边界层厚度增加，使局部对流体热系数减小。将肋片割开后，形成几道缝，相当于使平壁长度减小，边界层厚度减小，对流传热系数增加，另外，裂缝处空气产生一定程度的扰动，也强化了对流传热。6－11rcd，即使不考虑辐射热，总传热量也大于仅靠导热传递的热量，如仍用傅立叶定律来计算φ，则xtAe，式中λe为当量热导率，显然，λe大于其真实热导率λ，而有限空间自然对流传热时，eNu，所以Nu1，如自然对流作用小到可以忽略，Nu将等于1，但无论如何都不会小于1。第七章凝结和沸腾传热7－1竖壁倾斜后，凝结液向下流动变慢，使液膜加厚，液膜热阻增加凝结传热系数减小。7－2空气自上而下横掠管束，随着管排数增加，扰动强度增加，各排管对流传热系数增加。蒸汽在水平管束外凝结时，自上向下随着管排数的增加，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，凝结热系数逐渐减少，平均凝结传热系数越来越小。7－3由于管长L»d，而层流时＊（L为定型尺），水平放置时管径〈〈管长，所以h水平＞h竖直。在同样情况下要凝结同样数量蒸汽，管子水平放置所需对流传热面比竖直放置时小，所以蒸汽在管外凝结时管束应尽量水平放置。7－4泄液盘使竖管高度H下降，液膜厚变变小，热阻变小，凝结传热系数h增加，泄液板使竖直方向上管排数nm减少h增大。7－5由于冷凝器处于真空状态，易漏入空气，加上蒸汽中原来带有极少空气，在冷凝器内随着蒸汽凝结，空气浓度增加，使h大大减少，为此，在冷凝器上装上抽气器，及时将空气抽掉，以保证冷凝器维持较高的凝结传热系数。7－6120℃锅上的水滴先被烧干。大气压下锅表面过热度（tw－ts）分别为20℃和300℃。对照图7－10，前者表面发生状态沸腾，后者发生膜态沸腾，虽然后者温度比前者大得多，但前者传热系数更比后者大得多。使后者传热量反而低于前者所以12℃锅上水滴先被烧干。7－7大空间水沸腾传热时，汽泡在极短的时间内成千倍地长大，有人称之为“爆炸式”的成长，成长后汽泡脱离加热面，这些都强烈地扰动着壁面附近的水，使沸腾传热系数较大。这时如再设法使水振动，效果将不会太好，沸腾传热系数增加不明显。7－8单相介质对流传热常热传递热量，相变对流传热靠汽化潜热传递热量。氟里昂和水的汽化潜热之比约为1:10。所以氟里昂沸腾和凝结传热系数比水的相应值要小得多。7－9由图7－10可见，大气压下大容器沸腾危机时临界热流密度＝1.1×106w／㎡，而水壶烧开水时的热流密度一般只有2×104～1×105w／㎡，远小于临界热流密度，不可能产生膜状沸腾。所以，只要水壶中有水就不必担心会被烧坏。