第8章-單相流體對(duì)流換熱及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式技工院

27五月2023第8章單相流體對(duì)流換熱及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式技工院8.1管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)與換熱的特點(diǎn)內(nèi)部流動(dòng)過程中，一側(cè)固體表面上的邊界層在形成和發(fā)展過程中可能受到另一側(cè)固體表面的限制，形成邊界層干擾或匯合2傳熱學(xué)流動(dòng)入口段：速度邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心換熱入口段：熱邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心，換熱強(qiáng)度由最高而逐漸減弱充分發(fā)展段3傳熱學(xué)流動(dòng)充分發(fā)展段流態(tài)的判斷：對(duì)于工業(yè)和日常生活中常用的光滑管道

層流（um

為平均流速）層流到紊流的過渡階段旺盛紊流熱充分發(fā)展段的特征：

分別為管壁溫度與流體截面平均溫度。

4傳熱學(xué)＝常數(shù)（不隨x變化）對(duì)于常物性流體，由上式可得常數(shù)。這一結(jié)論對(duì)于管內(nèi)層流和紊流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用5傳熱學(xué)對(duì)于管內(nèi)層流，熱進(jìn)口段：（常壁溫邊條）流動(dòng)進(jìn)口段：進(jìn)口段長(zhǎng)度：

由于進(jìn)口段的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，所以對(duì)于短管內(nèi)的對(duì)流換熱，需要考慮進(jìn)口段的影響。對(duì)于管內(nèi)湍流換熱，只要l/d>60，就可忽略進(jìn)口段的影響。（常熱流邊條）6傳熱學(xué)兩種典型邊界條件下，流體溫度與壁面溫度沿主流方向的變化曲線

一般情況下，管壁溫度和流體溫度都沿流動(dòng)方向發(fā)生變化，變化規(guī)律與邊界條件有關(guān)。

a.常熱流邊界條件：

qx＝常數(shù)，流體截面平均溫度tf沿流動(dòng)方向線性變化。熱進(jìn)口段：熱充分發(fā)展段：hx＝常數(shù)，tx＝常數(shù)，壁面溫度tw和tf都沿流動(dòng)方向線性變化。7傳熱學(xué)b.等壁溫邊界條件：tw=常數(shù)

分析結(jié)果表明，溫差tx沿x方向按指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化，tf也按同樣的指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化。

無論對(duì)于常熱流還是等壁溫邊界條件，全管的平均換熱溫差可按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算，

如果進(jìn)口溫差與出口溫差相差不大，，結(jié)果與上式偏差小于4%。8傳熱學(xué)紊流（Turbulentflow）9傳熱學(xué)特征長(zhǎng)度；截面平均速度；截面平均溫度2.影響管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的其他因素10傳熱學(xué)1)物性場(chǎng)不均勻的影響

換熱時(shí)流體溫度場(chǎng)不均勻，會(huì)引起物性場(chǎng)的不均勻。其中粘度隨溫度的變化最大。粘度場(chǎng)的不均勻會(huì)影響速度場(chǎng)，因此影響對(duì)流換熱。2)管道彎曲的影響

管道彎曲，離心力的作用會(huì)在流體內(nèi)產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，使對(duì)流換熱得到強(qiáng)化。彎管的曲率半徑越小，流速越大，二次環(huán)流的影響越大。

上述影響因素在進(jìn)行管內(nèi)對(duì)流換熱計(jì)算時(shí)需要加以考慮。11傳熱學(xué)3.管內(nèi)湍流換熱計(jì)算迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）公式三大特征量特征尺度：內(nèi)徑di定性溫度：tf

=(tin+tout)/2特征流速12傳熱學(xué)適用范圍Ref=1041.2×105，旺盛湍流Prf=0.7120，包括空氣、水、油l/d≥60，平均換熱系數(shù)；如果是短管則需修正邊界條件：給定溫度或給定熱流邊界均可適用于流體與壁面具有中等以下溫差的場(chǎng)合13傳熱學(xué)△t=tw-tf氣≤50℃水≤20~30℃油≤10℃中等溫差，非tin

-tout思考：不適用于液態(tài)金屬：Prf~10-3到10-2的量級(jí)120℃60℃tw=50℃air14傳熱學(xué)應(yīng)用范圍擴(kuò)大短管l/d<60入口效應(yīng)修正系數(shù)Cl彎管(螺旋管)，

彎管修正系數(shù)CR

15傳熱學(xué)非圓形截面當(dāng)量直徑de

(equivalent)大溫差(突破中等溫差極限)，溫度修正系數(shù)Ct對(duì)變物性修正氣體被加熱，Ct

=（Tf/Tw）0.5氣體被冷卻，Ct

=1液體被加熱或被冷卻如同心套管：de=d2-d116傳熱學(xué)綜合表達(dá)式ρ，0.8次冪，影響最大，其次為λu,0.8次冪：1m/s→1.5m/s，h↑40%d↓，h↑17傳熱學(xué)格尼林斯基（Gnielinski）公式形式適用范圍：Ref=2300106，Prf=0.6105，管長(zhǎng)修正已在公式中體現(xiàn)Ct，反映物性影響參數(shù)該關(guān)聯(lián)式精度高，適用范圍廣，目前被國(guó)際上普遍接受。費(fèi)羅年柯（Filonenko）公式達(dá)爾西阻力系數(shù)18傳熱學(xué)說明對(duì)湍流，熱邊界條件的影響可以忽略不計(jì)（UHF，UWT）注意不同公式的適用范圍偏差>±25%，偏差<±20%長(zhǎng)為l一段光滑管內(nèi)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)19傳熱學(xué)對(duì)于多數(shù)液體換熱器(Pr>1，通常為油類)，層流時(shí)換熱整個(gè)管子都可能處于入口段而未進(jìn)入充分發(fā)展段換熱的熱邊界條件對(duì)換熱影響顯著層流充分發(fā)展段Nu與Re無關(guān)

Nu=3.66（恒壁溫）；Nu=4.36（恒熱流）管內(nèi)層流（laminarflow）強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算層流換熱特點(diǎn)(Re<2300)20傳熱學(xué)推薦關(guān)聯(lián)式:齊德-泰特（Sieder-Tate）公式形式三大特征量，同D-B公式，f表示取流體平均溫度為定性溫度適用范圍：ηf/ηw=0.00449.75，Prf=0.4816700，截面上溫差的修正已由ηf/ηw考慮關(guān)聯(lián)式適用于均勻壁溫21傳熱學(xué)一、外掠單管(flowoversinglecylinder)流動(dòng)特點(diǎn)前半周，加速流動(dòng)繞流脫體（flowseparation）后半周，減速流動(dòng)脫體位置取決于Re數(shù)8.2外掠圓管對(duì)流換熱22傳熱學(xué)23傳熱學(xué)24傳熱學(xué)25傳熱學(xué)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一個(gè)實(shí)際問題：內(nèi)部均勻加熱的圓柱放在空氣中吹風(fēng)冷卻，圓柱表面何處溫度最高？溫度最高點(diǎn)層流：湍流:26傳熱學(xué)平均Nu數(shù)關(guān)聯(lián)式注意：氣體及液體通用，tm=(tw+t∞)/2，d-外徑，u∞C,n取決于27傳熱學(xué)二、外掠管束（flowacrosstubebanks）流動(dòng)與換熱特點(diǎn)與單管相比，存在管之間的相互影響流動(dòng)方式有順排（in-linetuberow）和叉排（staggered）之別后排易受前排影響，但n>10消失沖刷方向有影響（沖角）28傳熱學(xué)29傳熱學(xué)平均換熱特性的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式注意：tf、tw、d、umaxC、m、n、k、p：表8.3z由表8-4查取30傳熱學(xué)8.3自然對(duì)流換熱一、工程背景暖氣管散熱冰箱(冰箱里食物不要裝得太滿)室外變壓器散熱輸電線的散熱電子器件冷卻31傳熱學(xué)二、現(xiàn)象及特點(diǎn)定義：不依靠外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)不均勻所引起的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力：溫度場(chǎng)不均勻－>密度的不均勻－>浮升力不均勻的溫度場(chǎng)不一定引起自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流不同，不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)換熱很弱，但經(jīng)濟(jì)、安全、平靜物體表面上總換熱量常需同時(shí)考慮與周圍氣體間的自然對(duì)流以及與周圍其它表面間的輻射換熱32傳熱學(xué)三、速度與溫度分布的特點(diǎn)Tw

>T∞33傳熱學(xué)層流湍流判別流態(tài)的特征數(shù)是Gr數(shù)（不是(GrPr)）四、自然對(duì)流的兩種流動(dòng)狀態(tài)五、分類大空間（邊界層不受干擾）(infinitespace)有限空間（空間大小對(duì)換熱效果有影響）(naturalconvectioninenclosure)34傳熱學(xué)35傳熱學(xué)36傳熱學(xué)六、大空間自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式說明tm=(tw+t∞)/2Gr中αV：氣體按理想氣體處理αV=1/Tm、液體查物性手冊(cè)特征長(zhǎng)度：表面高度H（豎平板及豎圓柱）、外徑d（橫圓柱37傳熱學(xué)豎圓柱可以歸為豎壁的條件：一般:38傳熱學(xué)七、有限空間自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式兩種最簡(jiǎn)單而典型的有限空間自然對(duì)流豎夾層（雙層