10第十章对流换热

Fundamentalsofthermalengineering热工基础第十章对流换热2()W()W/mwfwfAhttqhtt1牛顿冷却公式10-1概述对流换热:流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程tftwh对流换热过程示意图Fundamentalsofthermalengineering热工基础主要内容：⑴分析对流换热过程，揭示换热与诸影响因素的关系。⑵建立对流换热微分方程组。⑶讨论求解方法：边界层理论，微分方程求解，积分方程求解；类比原理⑷相似理论10-1概述Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-1概述2影响对流换热的因素(1)流动的起因：影响流体的速度分布与温度分布。强迫对流换热自然对流换热(2)流动的状态层流：热量传递主要靠分子扩散（即导热）。紊流：热量传递主要靠热对流。hh迫流自然流强对对hh紊流流层Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-1概述(3)流体有无相变沸腾换热凝结换热hh有相相变无变(4)流体的物理性质1）热导率，W/(mK)，愈大，对流换热愈强烈；2）密度，kg/m33）比热容c，J/(kgK),c反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；4）动力粘度，Pas；ν=/，m2/s。流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-1概述5）体胀系数，K－1。体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。定性温度对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的取法取决于对流换热的类型。Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-1概述(5)换热表面的几何因素换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温度分布，对对流换热产生影响。Fundamentalsofthermalengineering热工基础(,,,,,,,,)wfhfuttcl其中：l和Φ代表壁面的尺寸和形状特征。10-1概述影响对流换热的因素很多，表面传热系数是很多变量的函数：特征长度（定型尺寸）：对换热影响最大的尺寸。Fundamentalsofthermalengineering热工基础对流换热无相变有相变凝结换热大空间沸腾管内沸腾沸腾换热管内凝结管外凝结强制对流自然对流混合对流内部流动外部流动圆管内强制对流换热其他形状管道对流换热外掠平板的对流换热外掠单根圆管的对流换热外掠圆管管束的对流换热外掠其他截面柱体的换热射流冲击换热大空间有限空间Fundamentalsofthermalengineering热工基础3对流换热的主要研究方法分析法数值法试验法比拟法理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。10-1概述Fundamentalsofthermalengineering热工基础0,()()xwfyxtqhtty0,()xwfyxthtty1对流换热微分方程10-2对流换热的数学描述粘性流体在壁面上流动,由于粘性的作用,在贴壁处热量将只能以导热方式传递。qxFundamentalsofthermalengineering热工基础10-2对流换热的数学描述对流换热微分方程组——控制方程未知量：h、t、u、v、p，共5个（Fx、Fy已知）22222222222200()()()()()()xypfxwfyxuxyuupuuuFxyxxypuFxyyxyttttuxycxythytt连续性方程动量微分方程能量微分方程对流换热微分方程Fundamentalsofthermalengineering热工基础单值性条件单值性条件包括：几何、物理、时间、边界①几何条件：说明对流换热过程中的几何形状和大小，平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等②物理条件：说明对流换热过程物理特征，如：物性参数、、c和的数值，是否随温度和压力变化；有无内热源、大小和分布。10-2对流换热的数学描述Fundamentalsofthermalengineering热工基础③时间条件：说明在时间上对流换热过程的特点，稳态对流换热过程不需要时间条件（与时间无关）。④边界条件：说明对流换热过程的边界特点，边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件。（1）第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值；（2）第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值。10-2对流换热的数学描述Fundamentalsofthermalengineering热工基础两物理现象相似，须满足：①同类现象，即物理性质相同，有类同的数学表达式和内容；②几何相似，即几何形状相似，换热面放置位置相同；③物理现象相似，即空间对应点上同名物理量成比例。1对流换热准则方程（实验研究方法10-4节）⑴相似理论10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础⑵对流换热相似准则和准则方程若两对流换热现象相似，则0,0,0,()()()1yxyxhtlhlhlyxtthhtytyhtylcccchtylccccthlhlhctyc代入10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础hlNu表征换热程度强弱的准则，Nu越大，h越大，换热越强。Reul表征受迫流动状态的准则，Re大，说明惯性力大，流态为紊流；Re数小，说明粘性力大，流态呈层流。32gtlGr表征流体自由流动状态的准则，Gr大，说明浮升力较大，自由流动剧烈，自由流动换热较强。（其中α为流体的容积膨胀系数。）10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础表征流体物性对换热影响的准则，Pr大，为导温能力弱而粘度大的流体，如油类；Pr小，为导温能力强而粘度小的流体，如液态金属。/Pr/()ppcaca为流体的热扩散率，m2/s10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础(Re,,Pr)NufGr准则方程：(Re,Pr)NufRePrnmNuc①受迫流动：其中系数c和指数n、m由实验确定。(r,Pr)NufG②自由流动：10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础()/2fffttt①定性温度：选来确定物性参数的温度，一般可选流体的平均温度wt壁面温度()/2mfwttt膜温度②定型尺寸：在准则数中代表换热表面几何特征的尺寸，常选对流动情况有决定影响的尺寸，（3）定性温度和定型尺寸10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础（1）管内受迫流动换热2流体受迫流动换热①流动和换热特征10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础wwftttt流动进口段：边界层汇合以前的区段；流动充分发展段：边界层汇合以后的区段。进口段内断面平均温度t不断变化，采用无量纲温度分布10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础0.71()ldL②管长对换热的影响60Ld的长管可忽略进口段的影响；60Ld的短管，可在长管的基础上加修正10-4对流换热的实验研究方法()0wwfttxtt热进口段：()0wwfttxtt热充分发展段：Fundamentalsofthermalengineering热工基础T()()ffnnwwT或③流速分布对对流换热系数的影响,t气体：t越大，速度分布的变形也越大，对对流换热系数的影响也越大，这时可引入修正温度修正：温度对物性及流速分布均有影响，,t液体：10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-4对流换热的实验研究方法换热时管内速度分布的畸变：1-等温流；2-冷却液体或加热气体；3-加热液体或冷却气体0.110.250.551ftwftwftwtccTcTc液体被加热液体被冷却气体被加热气体被冷却数：温度修正系Fundamentalsofthermalengineering热工基础④管道弯曲的影响11.77RdR3110.3RdR推荐：对于气体对于液体R引入修正系数10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础⑤准则方程wfwf0.40.3ttmtt45fRe101.210,Pr0.7120,/60Ld公式适用条件：中等温差50203010ttt气体：水：油：℃0.80.023RePrmfffNu紊流换热：迪特斯－波尔特公式10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础0.140.81/3ffffw0.027RePrNu4ffRe10,Pr0.716700,/60Ld0.141/3ffffw1.86RePrdNuLRe2300,Pr0.6,RePr10ffffdL对于流体与管壁温度相差较大，流体物性场不均匀性影响较大的情况，可采用席德-塔特于1936年提出的公式：适用条件：层流换热：适用条件：10-4对流换热的实验研究方法Fundamentalsofthermalengineering热工基础（2）外掠平壁流动时的换热10-4对流换热的实验研究方法纵掠平壁Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-4对流换热的实验研究方法外掠平壁层流对流换热：1213121/350.332RePr0.664RePr0.6Pr50,Re5102xxmxmmmmlmmmmwmhxNuhlNuttt适用范围：Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-4对流换热的实验研究方法外掠平壁湍流对流换热：4513451/350.0296RePr0.037RePr0.6Pr60,Re5102xxmxmmmmlmmmmwmhxNuhlNuttt适用范围：Fundamentalsofthermalengineering热工基础（3）横掠单管10-4对流换热的实验研究方法流动特点流动具有边界层特征，还会产生绕流脱体,从而产生回流、漩流和涡束。Fundamentalsofthermalengineering热工基础10-4对流换热的实验研究方法横掠单管绕流的特点：0,0xuxp0,0xuxp前半圆周：压力减小速度增加后半圆周：压力增加速度减小逆压梯度是造成流动分离的直接原因！压力减小压力增加