6-3第六章 單相流體對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式

1、1.管內(nèi)紊流(Re≥104)換熱準則關(guān)系式,流體被加熱時n=0.4；流體被冷卻時n=0.3。,氣體,被加熱被冷卻,被加熱被冷卻,液體,2. 管內(nèi)層流換熱準則關(guān)系式(Re < 2300),3. 管內(nèi)過渡流(2300< Ref <104) 換熱準則關(guān)系式,定性溫度：（tf1+tf2）/2；特征尺寸：管內(nèi)徑（當(dāng)量直徑）；特征流速：平均流速；,第六章 單相對流傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式,§6-1 相似原理與量

2、綱分析§6-2 相似原理的應(yīng)用§6-3 內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式§6-4 外部強制對流傳熱§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱§6-6 射流沖擊傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式,,,,,,一、流體平行流過平板時的換熱計算,§6-4 外部強制對流傳熱,局部：,平均：,使用范圍：,Rel＜5×105時，流動邊界層為層流流動,其傳熱計算的準則關(guān)系式：,§6-4 外部

3、強制對流傳熱,使用范圍：,局部：,平均：,Rel＞5×105 時，如果將整個平板都視為紊流狀態(tài) ，其傳熱計算的準則關(guān)系式如下：,,,復(fù)合邊界層時:,整理為：,=5×105,特征流速u∞，定性溫度tm=（tw+t∞）/2。,§6-4 外部強制對流傳熱,例1：溫度為40℃壓力為一個大氣壓的空氣，平行掠過一塊表面溫度為100℃的平板上表面，平板下表面絕熱。平板沿流動方向長度為0.2m，寬度為0.1m。按平板長度計

4、算的Re為4×104。試確定：(1)平板表面與空氣間的表面換熱系數(shù)和換熱量。(2)如果空氣流速增加一倍，壓力增加10倍，平板表面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。,（1）雷諾數(shù)4×104＜5×105 ，流動邊界層為層流流動 , 傳熱計算準則關(guān)系式為：,解：空氣定性溫度為tm=(40+100)/2=70℃，空氣物性參數(shù)為:μm=20.6×10-6 Pa·s， ρm=1.029kg/m3，P

5、rm=0.694，λm=2.96×10-2W/(m2·K)。,（2）若u2=2u1，p2=10p1，,ρ2=10ρ1,湍流,一、橫掠單管（或柱）時的強迫對流傳熱,物體外掠一切非流線型物體時，都會發(fā)生邊界層分離。,§6-4 外部強制對流傳熱,1.邊界層分離,,,,1 2 3,p1> p2 < p3,u1 u3,,,§6-4 外部強制對流傳熱,在增壓減速過程中，流體由

6、壓力轉(zhuǎn)變來的動量會逐步再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌龅膲毫?，此時近壁面流體不但會因動量的耗散而沒有足夠的動量轉(zhuǎn)化為壓力，而且會在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動，導(dǎo)致流體邊界層發(fā)生分離。,S?,A→C：流道截面積↓,流速↑,壓力↓(順壓梯度)；C→S：流道截面積↑,流速↓,壓力↑(逆壓梯度)；S點： 。SS'以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。,§6-4 外部強制

7、對流傳熱,汽車在路面上飛馳而過，汽車后面會揚起高高的塵土。,§6-4 外部強制對流傳熱,Re<10時, 流動不發(fā)生分離現(xiàn)象；10＜Re＜1.5×105時,邊界層為層流，分離點在80º≤Φ≤85º；Re≥1.5×105 時，邊界層在分離（脫體）前已變?yōu)槲闪?，由于紊流邊界層中紊流動量交換的加強，從而使邊界層分離點推后到φ≈140º 處；,,2.分離點位置及圓管表面局部表面

8、傳熱系數(shù)的變化,§6-4 外部強制對流傳熱,,,,,,,,,,,3.圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式,特征流速:來流速度；特征長度:管子外徑；特征溫度:膜平均溫度,§6-4 外部強制對流傳熱,當(dāng)β=0時，用縱掠平板公式計算。,修正系數(shù),斜掠圓管,表6-5,例2： 其他條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？,,,,,,,,,,橫向,縱向,橫向沖刷時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。縱向沖刷時相當(dāng)于

9、外掠平板的流動，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時熱邊界層薄且存在邊界層分離產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動，因而換熱強。,例3：為了測量管內(nèi)流體溫度，測溫套管有A,B兩種布置方式，如圖所示。為了使測溫誤差減小，問應(yīng)選取哪種布置方式，并說明理由。,三、流體橫掠管束時的強迫對流換熱,§6-4 外部強制對流傳熱,除管徑影響傳熱系數(shù)外，管距、管排數(shù)和排列方式也影響對流換熱系數(shù)。,（a）順排,§6-4 外部強制對流傳熱,流體橫掠順排管束

10、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式（表6-7）流體橫掠叉排管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式（表6-8）,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,自然對流換熱：由于固體壁面與流體間存在溫差，使流體內(nèi)部溫度場不均勻，導(dǎo)致密度場的不均勻，在重力場作用之下產(chǎn)生浮升力而促使流體發(fā)生流動，引起熱量交換。,,1) 溫度與速度分布,一、 自然對流換熱現(xiàn)象的特點,y,t,t∞,,x t,,以豎直平板在空氣中自然冷卻過程進行分析。,,,,,,0,u,

11、7;6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,2) 流動形態(tài),層流區(qū),紊流區(qū),過渡區(qū),,,,,,hx,x,物理意義： 浮升力與粘性力的比值,3）自然對流傳熱的控制方程與相似特征數(shù),§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,Gr是層流向紊流轉(zhuǎn)變的依據(jù),傳熱面上邊界層的形成和發(fā)展不受周圍物體干擾的自然對流傳熱稱為大空間自然對流傳熱，否則稱為有限空間對流傳熱。,二、大空間自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式,1. 恒壁溫,Gr中的Δt：

12、 體膨脹系數(shù)αv=1/T 。特征溫度：膜溫度（tw+t∞）/2； 特征長度：豎壁與豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,C、n見表6-10；水平面見式6-39、6-40,例：在對流溫度差大小相同的條件下，在夏季和冬季，屋頂天花板內(nèi)表面的對流放熱系數(shù)是否相同？ 為什么？,例：水平放置的蒸汽管道，保溫層外徑d0=383mm，壁溫tw=48℃，周圍空氣溫度t∞

13、=24℃.試計算保溫層外壁單位管長的對流散熱量。,解：特征溫度：,查表6-10得C=0.48，n=1/4；,2.　恒熱流密度,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,B、m見表6-11,恒熱流密度給定時，常要校核局部壁溫。最有價值的數(shù)據(jù)往往是局部對流傳熱系數(shù)。,層流：,湍流 ：,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,湍流自然對流的自模化,表6-10中關(guān)聯(lián)式的指數(shù)n，湍流時,此時,湍流自然對流時，對流傳熱系數(shù)與尺

14、寸無關(guān)，這種情形稱為自?；F(xiàn)象。,有些自然對流換熱過程受到固體表面的限制而形成受限空間中的自然對流換熱。,三、有限空間自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,邊界層特點,熱流密度,表示成導(dǎo)熱計算式:,表示成熱對流計算式:,,,,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,當(dāng)δ/H＞0.3，體現(xiàn)為無限空間自然對流換熱規(guī)律；當(dāng)δ/h＜0.3，將體現(xiàn)出有限空間自然對流換熱特征。,對于豎直空氣夾層，推薦以

15、下關(guān)聯(lián)式:,使用范圍：,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱,定性溫度：（tw1+tw2）/2；特征尺寸：δ,以如圖所示有限空間自然對流為例。如果空腔內(nèi)的空氣沒有對流，僅存在導(dǎo)熱，則：,=,即：Numin=1,例6：對有限空間的自然對流換熱，有人經(jīng)過計算得出Nu數(shù)為0.5。請判斷這一結(jié)果的正確性。,例7: 溫度分別為100℃和40℃、面積均為0.5×0.5m2的兩豎壁，形成厚δ=15mm的豎直空氣夾層。試計算通過

16、空氣夾層的自然對流換熱量?,解：空氣的定性溫度為tm=(100+40)/2=70℃，查出空氣的物性參數(shù)為vm=20.02×10-6 m2/s， ρ=1.029kg/m3， λ=2.96×10-2W/(m2·℃)，αv=1/（273+70）=2.915×10-2K-1 ，Pr=0.694。,(1)判斷流動形態(tài),（GrδPr）m=1.003×104＜2×105，流動屬層流。,(2