第6章單相流體對流換熱

1、傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer第六章第六章 單相流體對流換熱單相流體對流換熱傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer本章教學(xué)內(nèi)容本章教學(xué)內(nèi)容6-1 6-1 管內(nèi)受迫對流換熱管內(nèi)受迫對流換熱6-2 6-2 外掠圓管對流換熱外掠圓管對流換熱6-3 6-3 自然對流換熱自然對流換熱傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer6-1 6-1 管內(nèi)流體受迫對流換熱管內(nèi)流體受迫對流換熱一、一般分析一、一般分析傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer流體在管內(nèi)流動屬于內(nèi)部流動過程，其主要特征是，流體

2、在管內(nèi)流動屬于內(nèi)部流動過程，其主要特征是，流動存在著兩個明顯的流動區(qū)段，即流動存在著兩個明顯的流動區(qū)段，即和和 管子進口到邊界層匯合處的這段管長。管子進口到邊界層匯合處的這段管長。 流動進入定型流動的區(qū)域。流動進入定型流動的區(qū)域。傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer紊流區(qū)紊流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)），（層流區(qū)層流區(qū) 10Re 10 2300Re 2300Re44 dum0; 0 vxu傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 當流體溫度和管璧溫度不同時，在管子的進口區(qū)域同時也有當流體溫度和管璧溫度不同時，在管子的進口區(qū)域同時也有熱邊界層在發(fā)展，隨

3、著流體向管內(nèi)深入，熱邊界層最后也會熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管內(nèi)深入，熱邊界層最后也會在管中心匯合，從而進入在管中心匯合，從而進入熱充分發(fā)展段熱充分發(fā)展段，在熱邊界層匯合之，在熱邊界層匯合之前也就必然存在前也就必然存在熱進口段熱進口段。consthttrt-ttttxfwRrfww 0傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer管內(nèi)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及平均管內(nèi)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及平均h h的變化的變化（a a）層流；）層流； （b b）紊流）紊流傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer Pr1時，流動進口段短； Pr10; Re104；Pr=0.71

4、60；流體與壁面；流體與壁面具有中等以下溫度差，加熱流體具有中等以下溫度差，加熱流體n=0.4；冷卻流體；冷卻流體n=0.3定性溫度：全管長流體平均溫度定性溫度：全管長流體平均溫度定型尺寸：管內(nèi)徑定型尺寸：管內(nèi)徑dnNuPrRe023. 08 . 0 先計算先計算ReRe判斷流態(tài)，再選擇公式判斷流態(tài)，再選擇公式傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer1 1）溫差修正）溫差修正 當流體與管壁之間的溫差較大時，流體的物性受溫當流體與管壁之間的溫差較大時，流體的物性受溫度的影響會發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變度的影響會發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變化，進而影響流體與

5、管壁之間的熱量傳遞和交換?；M而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer2 2）非圓管修正）非圓管修正 流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動：取流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動：取當量直徑當量直徑作作為特征尺度：為特征尺度：當量直徑當量直徑(de) (de) ：過流斷面面積的四倍與濕周之比稱為當量直過流斷面面積的四倍與濕周之比稱為當量直徑徑Ufde4 f f 過流斷面面積，過流斷面面積，m m2 2U U 濕周，濕周，m m傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer3 3）入口修正）入口修正 當管子的

6、長徑比當管子的長徑比l/d60l/d10l/d10；n定性溫度定性溫度查物性，下標查物性，下標f f由由t tf f確定，下標確定，下標w w由由t tw w確定；確定；n由由ReRe判斷流態(tài)；判斷流態(tài)；n據(jù)據(jù)ReRe選擇準則關(guān)聯(lián)式計算選擇準則關(guān)聯(lián)式計算NuNuf f；n計算計算h h。傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer例例6-16-1mfwu =0.85m st =90t =1151.5md=17mm一臺殼管式蒸汽熱水器，水在管內(nèi)流速，全管水的平均溫度，管壁溫度，管長，管內(nèi)徑，試計算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。fw62ff42f42l d10-ttt =900.326

7、10;0.680(m3.15 10;Pr1.95t =1152.48 10fwwmsWKN s mN s m解：本題符合式（6 5）的管長條件。解題的思路是先用定性溫度確定物性，再可確定計算式中的準則數(shù)。物性由附錄3查取，水在 及下的物性數(shù)據(jù)：）：傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer4f60.81 30.14f40.81 30.140.017 0.85Re4.43 100.326 106-50.023RePr()0.023(4.43 10 ) 1.95 (3.15 2.48)155mffffwu dNu則為紊流，由式（）20.6801556200(m0.017ff

8、hNuWKd ）傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer當雷諾數(shù)當雷諾數(shù)Re2300Re2300時管內(nèi)流動處于層流狀態(tài)，由于時管內(nèi)流動處于層流狀態(tài)，由于層流時流體的進口段比較長，因而管長的影響通常層流時流體的進口段比較長，因而管長的影響通常直接從計算公式中體現(xiàn)出來。直接從計算公式中體現(xiàn)出來。14. 031PrRe86. 1 wfldNu 適用范圍：適用范圍：0.48Pr16700;0.0044 9.750.48Pr16700;0.0044 9.75 wf 如果管子較長，在熱充分發(fā)展段如果管子較長，在熱充分發(fā)展段NuNuf f=4.36(q=const);Nu=4.36

9、(q=const);Nuf f=3.66(tw=const)=3.66(tw=const)傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer解：解： 由于管子細長，由于管子細長，l/d l/d 較大，可以忽略進口段的較大，可以忽略進口段的影響。冷卻水的平均溫度為影響。冷卻水的平均溫度為 Ct 4021C65C15f從附錄中水的物性表中可查得從附錄中水的物性表中可查得 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transferf f=0.635W/m.k,v=0.635W/m.k,vf f=0.659x10=0.659x10-6-6m m2 2/s,Pr=4.31/s,P

10、r=4.31管內(nèi)雷諾數(shù)為管內(nèi)雷諾數(shù)為 41052. 1Re /sm100.6590.01m1m/s26ff ud管內(nèi)流動為旺盛紊流。管內(nèi)流動為旺盛紊流。 4 .91PrRe023. 04 . 08 . 0 fffNuKmWNudh 2/58044 .910.01mK)0.635W/(mff 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer外部流動：外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。 橫掠單管：橫掠單管：流體沿著流體沿著 垂直于管子軸線的方垂直于管子軸線的方

11、向流過管子表面。流向流過管子表面。流 動具有邊界層特征，動具有邊界層特征， 還會發(fā)生繞流脫體。還會發(fā)生繞流脫體。傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 流體的壓強大約在管的前半部遞降，即流體的壓強大約在管的前半部遞降，即dp/dx0,dp/dx0dp/dx0 邊界層內(nèi)流體的動能變化與壓強的變化相對應(yīng)；邊界層內(nèi)流體的動能變化與壓強的變化相對應(yīng)； 脫體繞流產(chǎn)生脫體繞流產(chǎn)生 衡量脫體繞流的程度：速度衡量脫體繞流的程度：速度 衡量脫體繞流的準則數(shù)：衡量脫體繞流的準則數(shù)：ReRe傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Tran

12、sferHeat Transfern脫體現(xiàn)象脫體現(xiàn)象：從壁面的某一位置開始速度梯度達到：從壁面的某一位置開始速度梯度達到0 0（脫體點脫體點），壁面流體停止向前流動，并隨即向），壁面流體停止向前流動，并隨即向相反的方向流動。邊界層中出現(xiàn)渦流，從而正常相反的方向流動。邊界層中出現(xiàn)渦流，從而正常的邊界層被破壞。的邊界層被破壞。n 邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。n層流、紊流脫體點不同。層流、紊流脫體點不同。n紊流曲線出現(xiàn)兩次低谷：紊流曲線出現(xiàn)兩次低谷： 層流向紊流轉(zhuǎn)變；層流向紊流轉(zhuǎn)變； 紊流邊界層與壁脫體繞流。紊流邊界層與壁脫體繞流。 傳熱學(xué)

13、傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfern局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最低的地方，換熱最差。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最低的地方，換熱最差。n分析局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律，對高分析局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律，對高溫換熱設(shè)備的設(shè)計、研究和運行均有指導(dǎo)溫換熱設(shè)備的設(shè)計、研究和運行均有指導(dǎo)意義。意義。傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 3 3、外掠單管準則關(guān)聯(lián)式、外掠單管準則關(guān)聯(lián)式可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：式中：式中： C C及及n n的值見表；的值見表； 定性溫度為主流溫度；定性溫度為主流溫度； 特征長度為管外徑；特征長度為管外徑； 特征速

14、度為管外流速最大值特征速度為管外流速最大值nf.wf.ffCNuRePrPrPr250370 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer當當PrPrf f1010時，時，PrPrf f的冪次應(yīng)該為的冪次應(yīng)該為0.360.36。上述關(guān)聯(lián)式的適用范圍：上述關(guān)聯(lián)式的適用范圍：0.7Pr0.7Prf f 500;1Re500;1Ref f10106 6; ;對于空氣近似取對于空氣近似取PrPrf f=0.7=0.7，故，故PrPrf f0.370.37=0.88=0.88傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 外掠管束對流換熱時，應(yīng)考慮排列方式、外掠

15、管束對流換熱時，應(yīng)考慮排列方式、管間距及管排數(shù)等特殊因素。管間距及管排數(shù)等特殊因素。 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer圖圖 流體橫掠管束的流動可視化圖象流體橫掠管束的流動可視化圖象傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfern順排：順排： 優(yōu)點：阻力較小，清洗較方便；優(yōu)點：阻力較小，清洗較方便； 缺點：流體與管子之間的擾動較弱缺點：流體與管子之間的擾動較弱n叉排：叉排： 優(yōu)點：擾動較強優(yōu)點：擾動較強 缺點：阻力大，不好清洗缺點：阻力大，不好清洗傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 1 1）順排換熱弱于叉排；）

16、順排換熱弱于叉排； 2 2）后排強于前排；）后排強于前排； 層流：層流： Re10Re2Re210105 5 。 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer),dS,dS,f(Nuz.wf21250PrPrPrRe zp.wfmnSSCNu 21250PrPrPrRe式中：定性溫度為流體在管束中的平均溫度；式中：定性溫度為流體在管束中的平均溫度； 特征長度為管外徑特征長度為管外徑d d， 流速采用整個管束中最窄截面處的流速。流速采用整個管束中最窄截面處的流速。 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferH

17、eat Transfern正確選擇管子排列方式及參數(shù)是換熱設(shè)備設(shè)正確選擇管子排列方式及參數(shù)是換熱設(shè)備設(shè)計中的重要問題。計中的重要問題。n對于供熱通風(fēng)工程，空氣加熱器和冷卻器等對于供熱通風(fēng)工程，空氣加熱器和冷卻器等都大量采用帶肋片的管束。都大量采用帶肋片的管束。傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 自然對流：自然對流：不依靠泵或風(fēng)機等外力推動，由不依靠泵或風(fēng)機等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。一般流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。一般地，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄地，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。層之內(nèi)。溫差溫差 密度差密度

18、差 浮升力浮升力動力：浮升力動力：浮升力傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer n無限空間的自然對流換熱：無限空間的自然對流換熱： 流動、換熱、邊界層可以充分發(fā)展流動、換熱、邊界層可以充分發(fā)展 如：冬天玻璃窗戶內(nèi)表面的換熱、建筑外墻的室內(nèi)壁面如：冬天玻璃窗戶內(nèi)表面的換熱、建筑外墻的室內(nèi)壁面散熱等散熱等n有限空間的自然對流換熱：有限空間的自然對流換熱： 流動、換熱、邊界層的充分發(fā)展受壁與壁間相互影響流動、換熱、邊界層的充分發(fā)展受壁與壁間相互影響 如：雙層玻璃窗中的空氣層換熱、建筑維護結(jié)構(gòu)中的封如：雙層玻璃窗中的空氣層換熱、建筑維護結(jié)構(gòu)中的封 閉空氣間層換熱、平板式太陽

19、能集熱器的空氣間層閉空氣間層換熱、平板式太陽能集熱器的空氣間層傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfernh h先減小后增大，與外掠平板類似；先減小后增大，與外掠平板類似；n自然對流邊界層內(nèi)速度剖面呈單峰形狀；自然對流邊界層內(nèi)速度剖面呈單峰形狀； n溫度分布曲線與強迫流動時相似，呈單調(diào)變化。溫度分布曲線與強迫流動時相似，呈單調(diào)變化。 n自然對流強度主要取決于換熱溫差自然對流強度主要取決于換熱溫差t t 、板高、板高l 、容積膨、容積膨脹系數(shù)脹系數(shù) 和運動粘度和運動粘度 。n流態(tài)由流態(tài)由GrPrGrPr來判

20、斷：來判斷： 層流：層流：GrPr 10GrPr 10GrPr 10 10 10 ；傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer n在層流邊界層隨著厚度的增加，局部換熱在層流邊界層隨著厚度的增加，局部換熱系數(shù)將逐漸降低，系數(shù)將逐漸降低，n當邊界層內(nèi)層流向紊流轉(zhuǎn)變局部換熱系數(shù)當邊界層內(nèi)層流向紊流轉(zhuǎn)變局部換熱系數(shù) h hx x 趨于增大。趨于增大。n在常壁溫或常熱流邊界條件下當達到旺盛在常壁溫或常熱流邊界條件下當達到旺盛紊流時，紊流時， h hx x將保持不變而與壁的高度無關(guān)。將保持不變而與壁的高度無關(guān)。 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfern從

21、對流換熱微分方程組出發(fā)，可得到自然對流換從對流換熱微分方程組出發(fā)，可得到自然對流換熱的準則方程式熱的準則方程式(,Pr)Nuf Gr傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer自然對流準則關(guān)聯(lián)式自然對流準則關(guān)聯(lián)式nxxGrCNuPr)(*傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer n對于自然對流紊流，展開關(guān)聯(lián)式對于自然對流紊流，展開關(guān)聯(lián)式 （ 指數(shù)為指數(shù)為 n n =1/3 =1/3 ） 后，兩邊的定型尺寸可以消去；后，兩邊的定型尺寸可以消去；n表明自然對流紊流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型尺寸無表明自然對流紊流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與定型尺寸無關(guān)，該現(xiàn)象稱關(guān)，該現(xiàn)

22、象稱。n利用這一特征，紊流換熱實驗研究就可以采用較利用這一特征，紊流換熱實驗研究就可以采用較小尺寸的物體進行，只要求實驗現(xiàn)象的小尺寸的物體進行，只要求實驗現(xiàn)象的 Gr Gr Pr Pr 值處于紊流范圍。值處于紊流范圍。 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer 流動及換熱特征流動及換熱特征 傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat TransferHeat Transfer n當當 /h/h0.30.3，體現(xiàn)為無限空間自然對流換熱規(guī)律；當，體現(xiàn)為無限空間自然對流換熱規(guī)律；當/h/h0.30.3，將體現(xiàn)出有限空間自然對流換

23、熱特征。，將體現(xiàn)出有限空間自然對流換熱特征。 n在垂直夾層中流體在垂直夾層中流體 ( ( 多數(shù)是氣體多數(shù)是氣體 ) ) 沿?zé)岜砻嫔仙乩溲責(zé)岜砻嫔仙?，沿冷表面下沉。表面下沉。n如果夾層的相對厚度比較小，兩邊的邊界層會互相交織在如果夾層的相對厚度比較小，兩邊的邊界層會互相交織在一起，形成若干個小的環(huán)流，熱量主要就靠這種方式從熱一起，形成若干個小的環(huán)流，熱量主要就靠這種方式從熱表面?zhèn)飨蚶浔砻妗１砻鎮(zhèn)飨蚶浔砻?。n如果相對厚度較大，兩個邊界層互不干擾，等于處在大空如果相對厚度較大，兩個邊界層互不干擾，等于處在大空間中一樣，可以用大空間的相應(yīng)公式進行計算。若兩壁溫間中一樣，可以用大空間的相應(yīng)公式進行計算。若兩壁溫差非常小，則主要以導(dǎo)熱方式傳遞熱量。差非常小，則主要以導(dǎo)熱方