《传热学》第六章 单相流体对流换热

《传热学》第六章单相流体对流换热建环专业常见问题管内受迫对流换热横向外掠单管或管束换热大空间及有限空间自然对流换热外掠平板受迫对流对流换热（见第五章）纵向外掠单管或管束换热（对平板进行修正）第一节管内受迫对流换热由于流体的流动被限制在特定空间，管内流动换热模型与外掠平板完全不同，且换热情况更为复杂，难以用分析法进行求解，因此必须在对其特殊性进行分析的基础上，采用实验方法加以研究。一、管内受迫对流换热的影响因素速度边界层速度分布入口段充分发展段1.进口段和充分发展段流体从进入管口开始，需经过一段距离，管断面流速分布和流动状态才能达到定型，这一段距离称为进口段，之后为充分发展段。充分发展段流态判断：——层流——过渡流——旺盛紊流充分发展段的特征——对流表面传热系数h不随管长的变化而变化hx和h随管长x的变化规律：入口段仅为层流(图a)入口段存在紊流(图b)2.管内流体平均速度及平均温度——由于断面不同位置具有不同速度分布和温度分布，计算中必须采用其平均值。a.管内流体平均速度：b.管内流体平均温度：qw=consttw=const管壁与流体平均温差：全管长流体平均温度：3.物性场不均匀——由于断面不同位置流体温度不同，管中心和管壁处的流体物性（黏度、密度等）也会存在差异，从而对速度分布产生影响，并影响换热过程。4.管子的几何特征——管长、管径对管内速度分布和温度分布会产生影响，弯曲管、非圆形管、粗糙管也会和光滑直圆管换热情况有所不同，必须采用修正的方法。二、管内受迫对流换热计算管内对流换热能量守恒关系式：1.紊流换热迪图斯－贝尔特公式：定性温度：全管长流体平均温度tf定型尺寸：管内径迪图斯－贝尔特公式适用范围：流体和壁面温度差不很大，西得和塔特公式：——适用于流体与管壁间温差较大情况非圆形管修正：采用当量直径弯管修正：圆管结果乘以修正系数（R为螺旋管曲率半径）影响h的因素分析：2.层流换热西得和塔特常壁温公式：对于长管，h近似为常数：3.过渡流换热——格尼林斯基关联式4.粗糙管壁的换热——采用类比原理进行分析根据类比率得出的准则方程：其中：摩擦系数Cf的计算：粗糙度增加对h的影响ks——粗糙点的平均高度换热面积增大，h增大紊流层流凹处形成涡流，h增大凹处流动不良，h减小h增大h不变不锈钢椭圆管椭圆管换热器优点：换热强缺点：阻力大椭圆管与同周长圆管相比较一、外掠单管脱体分离点——流体产生与原流动方向相反的回流时的转折点——不产生脱体分离点与流速的关系：——层流，脱体点80°~85°——紊流，脱体点140°左右第二节外掠圆管对流换热常热流条件下Nu准则变化规律：层流时：一个低谷（脱体点）紊流时：两个低谷（层流向紊流的转变点，脱体点）烧毁点——局部表面传热系数最低处，换热最差，此处最易过热烧毁实例：锅炉过热器和对流管束烧毁点外掠单圆管准则关联式：定性温度：流体主流温度tf定型尺寸：管外径定性速度：管外流速最大值常数C和n从下表查取：ReCn1~40(蠕流)40~1×103(层流)1×103~2×105(过渡流)2×105~1×106(紊流)0.750.510.260.0760.40.50.60.7二、外掠管束两种管束布置方式叉排顺排优点：换热强缺点：阻力大优点：阻力小缺点：换热差外掠圆管束准则关联式：定性温度：流体在管束中的平均温度定型尺寸：管外径定性速度：管束中的最大流速21SS——相对管间距z——管排修正系数常数C、m、n和p查教材表6－2，εz查教材表6－3。εz随管排数增大而增大的原因：前排扰动加强了后排的换热第三节自然对流换热无限空间——墙壁、管道，散热器与室内空气的换热有限空间——双层窗、太阳能集热器自然对流换热一、无限空间自然对流换热边界层速度变化规律：边界层温度变化规律：局部对流表面传热系数hx沿竖壁变化规律——在层流段逐渐降低，紊流段后增大，达到旺盛紊流时保持不变自然对流引起的雷暴天气X方向动量方程：稳态流动：体积力仅为重力：根据量纲分析：X方向动量方程简化为：将：代入上式，得：X方向动量方程变为：引入体积膨胀系数：代入上式，得到：自然对流层流边界层动量微分方程式：自然对流层流边界层微分方程组：求解结果常壁温边界准则方程：——瑞利准则对于常热流边界，由于壁温tw未知，不能确定Gr，因而引入：定性温度：边界层平均温度常热流边界准则方程：对于各种自然对流情况，常数C和n查下表：对于竖直圆筒，由于环形边界层的曲率将影响边界层的形成和发展，对换热有强化作用。4135hGrHd竖直圆筒自然对流处理方法：4135hGrHd——按竖平壁处理——按竖平壁处理，并使用教材图6－14加以修正自然对流换热的另一方程（适用于常壁温和常热流两种情况）竖壁：水平圆筒：常热流边界时的定性温度：自然对流紊流自模化现象：常壁温紊流时：常热流紊流时：即：即：对于这两种情况，公式左右定型尺寸l（x）均可消去，即h和定型尺寸无关。自模化现象的意义——可用小尺寸物体模拟实际物体来研究自然对流换热问题，只要保证在紊流区，h即保持不变。二、有限空间中的自然对流换热竖直壁夹层的四种情况：两壁边界层互不干扰，分别按无限空间情况处理夹层内形成层流状环流夹层内形成紊流状环流夹层无流动，按纯导热计算，Nuδ=1水平壁夹层的四种情况：夹层无流动，按纯导热计算，Nuδ=1夹层无流动，按纯导热计算，Nuδ=1夹层内形成层流状环流夹层内形成紊流状环流双层玻璃窗当量表面传热系数和当量导热系数：分别将夹层传热过程考虑为纯导热和纯对流，则有：当量表面传热系数当量导热系数有限空间自然对流换热准则关联式三、自然对流与受迫对流并存的混合对流换热——由于受迫流动模型中亦可能存在温差，形成的自然对流会对速度场产生影响浮升力的数量级：惯性力的数量级：两力之比：对流换热状态判定方法——纯受迫对流——混合对流——纯自然对流第六章重点：1.管内受迫对流换热特征和准则方程2.外掠圆管及管束受迫对流换热特征和准则方程3.无限空间和有限空间自然对流换热特征和准则方程4.混合对流换热的判据谢谢观看