传热学课件第6章.

第六章单相对流传热的实验关联式本章重点内容重点内容：（1）相似原理及其应用；（2）无相变换热的对流换热机理；（3）无相变换热的表面传热系数及换热量的计算。掌握内容：无相变换热的表面传热系数及换热量的计算。了解内容：射流冲击换热。作业6-1，6-7，6-8，6-17，6-19，6-27，6-35，6-44，6-61，6-706.1相似原理及量纲分析试验遇到的问题:1问题的提出A实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）B实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）(2)实物试验很困难或太昂贵，如何进行试验？(1)变量太多pcdufh,,,,,2相似原理的研究内容：Pr)(Re,fNu特征数方程物理现象相似：对于同类现象，在相应的时刻与相应的地点上，与现象有关的物理量一一对应成比例同类现象：用相同形式和内容的微分方程所描写现象3物理现象相似的特性（1）同名特征数对应相等（2）各特征数之间存在着一定的函数关系研究相似物理现象之间的关系6.1相似原理及量纲分析4物理现象相似的条件同名的已定特征数相等单值性条件相似初始条件单值性条件：边界条件几何条件物理条件6.1相似原理及量纲分析5无量纲量的获得：(1)相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。现象1：现象2：数学描述：相似分析法和量纲分析法0yytth0yytth6.1相似原理及量纲分析建立相似倍数：相似倍数间的关系：hhchctttcttlycy0ylhytthccc1＝ccclh0yytth0yytth6.1相似原理及量纲分析获得无量纲量及其关系：类似地,通过动量微分方程可得：21ReRe能量微分方程：21PePealualu贝克来数21PrPrRePrPeyhyhlcllyy＝lhlh21NuNu6.1相似原理及量纲分析自然对流换热：23tlgGr式中：——流体的体积膨胀系数K-1Gr——表征流体浮升力与粘性力的比值(2)量纲分析法：在已知表面传热系数影响因素的前提下，采用量纲分析获得无量纲量22uuuugxyy6.1相似原理及量纲分析),,,,,(pcdufha基本依据：定理，即一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换为包含n-r个独立的无量纲物理量群间的关系。r指基本量纲的数目。b优点:(a)方法简单；(b)在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量c例题：以圆管内单相强制对流换热为例(a)确定相关的物理量7n(b)确定基本量纲r6.1相似原理及量纲分析KsmKkgJcsPaKduKhp22333:mkg:smkg:smkgKmW:m:sm:skg:国际单位制中的7个基本量：长度[m]，质量[kg]，时间[s]，电流[A]，温度[K]，物质的量[mol]，发光强度[cd]4个基本量纲：时间[T]，长度[L]，质量[M]，温度[]r=46.1相似原理及量纲分析pcduhn,,,,,,:7][[M],[L],[T],:4rn–r=3，即应该有三个无量纲量，因此，必须选定4个基本物理量，以与其它量组成三个无量纲量。选u,d,,为基本物理量(c)组成三个无量纲量333322221111321dcbapdcbadcbaducdudhu(d)求解待定指数，以1为例11111dcbadhu6.1相似原理及量纲分析111111111111111111111111133131311dcbacdcadcdddccccbaadcbaLTMTLMTLMLTLTMdhu01100010330111111111111111dcbadcbacdcadc6.1相似原理及量纲分析Nuhddhudhudcba011011111同理：Re2ududPr3acp于是有：Pr)(Re,fNu单相、强制对流6.1相似原理及量纲分析同理，对于其他情况：Pr),Gr(Nuf自然对流换热：混合对流换热：Pr),Gr(Re,NufNu—待定特征数（含有待求的h）Re，Pr，Gr—已定特征数按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题Pr)Re,,(NuPr)(Re,Nu'xffx；强制对流:6.1相似原理及量纲分析实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式——解决了实验中实验数据如何整理的问题在相似原理的指导下采用模化试验——解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题6.1相似原理及量纲分析2常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式6.1相似原理及量纲分析6.2相似原理的应用(1)模化试验应遵循的原则a模型与原型中的对流换热过程必须相似；要满足上述判别相似的条件b实验时改变条件，测量与现象有关的、相似特征数中所包含的全部物理量，因而可以得到几组有关的相似特征数c利用这几组有关的相似特征数，经过综合得到特征数间的函数关联式1指导模化试验(a)流体温度：(2)定性温度、特征长度和特征速度a定性温度：确定物性的温度即定性温度ft流体在管内流动换热时：2)('fffttt(b)热边界层的平均温度：2)(fwmttt(c)壁面温度：wt使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致6.2相似原理的应用b特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；应取对于流动和换热有显著影响的几何尺度如：管内流动换热：取直径d流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度：当量直径(de)：过流断面面积的四倍与湿周之比PAdce4Ac——过流断面面积，m2P——湿周，m6.2相似原理的应用c特征速度：Re数中的流速流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度u管内流动：取截面上的平均速度mu流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度maxu6.2相似原理的应用3实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：式中，c、n、m等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNu6.2相似原理的应用实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算机确定各常量幂函数在双对数坐标图上是直线ncllnReNu;tg12ncReNuRelglgNulgnc6.2相似原理的应用（1）实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）（2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）（3）实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？①回答了关于试验的三大问题：②所涉及到的一些概念、性质和判断方法：物理现象相似、同类物理现象、物理现象相似的特性、物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度③无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法6.2相似原理的应用Pr),Gr(Nuf自然对流换热：混合对流换热：Pr),Gr(Re,NufPr)Re,,(NuPr)(Re,Nu'xffx；强制对流:④常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义⑤模化试验应遵循的准则数方程nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNu试验数据的整理形式：6.2相似原理的应用6.3内部强制对流传热实验关联式一.管槽内强制对流流动和换热的特征1.流动有层流和湍流之分Re23002300Re10000层流：过渡区：旺盛湍流：Re100002.入口段效应层流湍流层流入口段长度:PrRe05.0dl湍流时:60ld60dl6.3内部流动强制对流换热实验关联式3.边界条件的影响边界条件均匀壁温均匀热流xQxdxQwQxdxxwxdxQQQ24xQcudt24xxdxxxdQdtQQdxQcuddxdxdxwwQqddx4wqdtdxcud6.3内部流动强制对流换热实验关联式讨论：wqconst（1）4wqdtconstdxcudwwqhtth逐渐减小，尔后趋近于一定值wtt逐渐增大，尔后趋近于一定值wtconst（2）wwqhtt4wqdtdxcud4wdthttdxcud104txtwdthdxttcud14expwwhttttxcud6.3内部流动强制对流换热实验关联式湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计.层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。4.特征速度及定性温度的确定特征速度一般多取截面平均流速。定性温度多为截面上流体的平均温度（或进出口截面平均温度）。5.牛顿冷却公式中的平均温差mtwftt对恒热流条件，可取作为。6.3内部流动强制对流换热实验关联式对于恒壁温的情形，截面上的局部温差在整个换热面上是不断变化的，这时应利用以下的热平衡式：mmmpffhAtqcttftftmqmt式中：为质量流量，kg/s；、分别为进口、出口截面上的平均温度；按对数平均温差计算：lnffmwfwfttttttt/0.5~2wfwftttt2ffmwtttt6.3内部流动强制对流换热实验关联式二.管内湍流换热实验关联式实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：0.80.023RePrnfffNu加热流体:0.4n冷却流体:0.3n此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。ft实验验证范围：45Re10~1.210fPr0.7~120f/60ld6.3内部流动强制对流换热实验关联式实际上，截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。/nfwPr/Prnfw一般在关联式中引进乘数或来考虑不均匀物性场对换热的影响。6.3内部流动强制对流换热实验关联式大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1）迪贝斯－贝尔特修正公式气体被加热：气体被冷却：液体:0.80.023RePrnffftNuc0.5ftwTcT1tc0.110.25nftwncn液体受热时液体被冷却时6.3内部流动强制对流换热实验关联式（2）采用齐德－泰特公式：0.140.8130.027RePrffffwNu实验验证范围：定性温度为流体平均温度(按壁温确定），管内径为特征长度。ftwwt/60ldPr0.7~16700f4Re10f6.3内部流动强制对流换热实验关联式（3）采用米海耶夫公式：0.250.80.43Pr0.021RePrPrffffwNu实验验证范围为：定性温度为流体平均温度，管内径为特征长度。ft/50ldPr0.6~700f46Re10~1.7510f6.3内部流动强制对流换热实验关联式公式的推广：（1）非圆形截面槽道4ceAdP注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的方法会导致较大的误差。式中：为槽道的流动截面积；为润湿周长。cAP（2）入口段对通常的工业设备中的尖角入口，有以下