無相變對流傳熱詳解

無相變對流傳熱詳解演示文稿當前第1頁\共有40頁\編于星期四\1點優(yōu)選無相變對流傳熱當前第2頁\共有40頁\編于星期四\1點流動入口段流動充分發(fā)展段換熱入口段換熱充分發(fā)展段流動入口段長度l的確定2.流動和換熱的入口段及充分發(fā)展段當前第3頁\共有40頁\編于星期四\1點3.局部表面?zhèn)鳠嵯禂礹x的變化當前第4頁\共有40頁\編于星期四\1點二、管槽內湍流換熱實驗關聯式1.迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）關聯式：適用的參數范圍：式中取流體平均溫度作為定性溫度；取管子內徑d為特征尺度；取截面的平均流速作特征速度。氣體：℃水：℃油：℃當前第5頁\共有40頁\編于星期四\1點2.迪圖斯-貝爾特關聯式應用范圍的擴展（1）溫差超過推薦的幅度值對于液體：主要是粘性隨溫度而變化。對于氣體：除了粘性，還有密度和導熱系數等。

當溫差超過推薦的幅度值后，流體熱物性將發(fā)生變化，從而對換熱產生影響。修正方法：當前第6頁\共有40頁\編于星期四\1點（2）非圓形截面通道

對于方形、橢圓形、環(huán)形等形狀的截面情況，可以用當量直徑作為特征尺度從而應用以上的準則方程。式中：Ac對為槽道的流動截面積，P為潤濕周長。當前第7頁\共有40頁\編于星期四\1點（3）對于短管（考慮入口效應）

對于較短的管子及常見的尖角入口，推薦以下的修正系數：考慮溫度和短管修正后的迪圖斯-貝爾特關聯式:當前第8頁\共有40頁\編于星期四\1點（4）對于彎管的修正

由于管道彎曲改變了流體的流動方向，離心力的作用會在流體內產生如圖所示的二次環(huán)流，結果增加了擾動，使對流換熱得到強化。對于氣體：對于液體：當前第9頁\共有40頁\編于星期四\1點三、管槽內層流換熱關聯式適用的參數范圍：1.齊德—泰勒（Sieder-Tate）關聯式管子處于均勻壁溫當前第10頁\共有40頁\編于星期四\1點2.層流充分發(fā)展換熱的Nu數對于圓管：當前第11頁\共有40頁\編于星期四\1點例題：在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過內徑為10mm、長度為3m的銅管，冷卻水的進、出口溫度分別為15℃和65℃，試計算管內的表面?zhèn)鳠嵯禂怠母戒浿兴奈镄员碇锌刹榈肳/(m·K)，m2/s，解：由于管子細長，l/d較大，可以忽略進口段的影響。冷卻水的平均溫度為當前第12頁\共有40頁\編于星期四\1點W/(m2·K)以上計算沒考慮流體物性場不均勻的影響。如果考慮物性場不均勻的影響，必須求出壁面溫度，以確定是否需要考慮修正項?？梢允紫雀鶕鋮s水的溫升確定換量，再用上面計算的表面?zhèn)鳠嵯禂礹和牛頓冷卻公式求解壁溫。當前第13頁\共有40頁\編于星期四\1點

按照概述中的分類外部流動的強制對流換熱主要有橫掠平板、外掠單管和外掠管束等情況。5.2外掠物體時的強迫對流傳熱當前第14頁\共有40頁\編于星期四\1點一、縱掠平壁換熱實驗關聯式（以層流為例）局部對流傳熱系數關聯式平均對流傳熱系數關聯式適用范圍定性溫度取特征長度取板長x和l特征流速取來流速度當前第15頁\共有40頁\編于星期四\1點二、橫掠單管（柱）對流換熱實驗關聯式1.流動的特征

流體橫向繞流單管時的流動除了具有邊界層的特征外，還要發(fā)生繞流脫體，而產生回流、漩渦和渦束。當前第16頁\共有40頁\編于星期四\1點邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。低雷諾數時，回升點反映了繞流脫體的起點。高雷諾數時，第一次回升是層流轉變成湍流的原因，第二次回升約在則是由于脫體的緣故。2.換熱的特征當前第17頁\共有40頁\編于星期四\1點3.平均表面?zhèn)鳠嵯禂礹計算的關聯式式中C、n之值見教材表6-1定性溫度取特征長度取管外徑d特征流速取來流速度當前第18頁\共有40頁\編于星期四\1點三、橫掠管束換熱實驗關聯式1.流動和換熱的特征順排叉排管束的排列方式有順排和叉排兩種形式。叉排中的流動擾動比順排時要劇烈，因此換熱也較強。此外，管束的間距s1和s2及管排數也影響換熱強度。當前第19頁\共有40頁\編于星期四\1點2.平均表面?zhèn)鳠嵯禂礹計算的關聯式式中c、m、n、k、p之值見教材表6-3。定性溫度取特征長度取管外徑d特征流速取管束中最窄截面處的流速對于排數少于20排的管束，需要利用管排修正系數修正。見表6-4。斜向沖刷修正系數見表6-5。當前第20頁\共有40頁\編于星期四\1點215.3自然對流換熱

主要討論重力場中的自然對流換熱。有溫差也并非一定會引起自然對流換熱溫差密度差浮升力自然對流自然對流換熱

根據自然對流所在空間的大小，區(qū)分有大空間自然對流換熱和有限空間自然對流換熱。

重點介紹大空間自然對流換熱特點及特征數關聯式。當前第21頁\共有40頁\編于星期四\1點221.自然對流換熱的數學描述

以大空間內沿垂直壁面的自然對流換熱為例。

對于常物性、無內熱源、不可壓縮牛頓流體沿垂直壁面的二維穩(wěn)態(tài)對流換熱，當前第22頁\共有40頁\編于星期四\1點23

就是重力場中由于密度差而產生的浮升力項.

對于不可壓縮牛頓流體，密度只是溫度的函數，根據體脹系數的定義慣性力項浮升力項粘性力項當前第23頁\共有40頁\編于星期四\1點24引進下列無量綱變量：參考速度動量微分方程：無量綱化無量綱量令

Gr稱為格拉曉夫數，表征浮升力與粘性力相對大小，反映自然對流的強弱。當前第24頁\共有40頁\編于星期四\1點25

和常物性、無內熱源、不可壓縮牛頓流體平行外掠平板穩(wěn)態(tài)對流換熱的無量綱微分方程組相比，多一項

表征浮升力與慣性力之比浮升力與慣性力數量級相同，自然對流與強迫對流疊加的混合對流換熱。

純強迫對流換熱，

純自然對流換熱，當前第25頁\共有40頁\編于星期四\1點262.垂直壁面二維穩(wěn)態(tài)自然對流層流換熱分析結果無量綱速度分布無量綱溫度分布當前第26頁\共有40頁\編于星期四\1點27當前第27頁\共有40頁\編于星期四\1點28大空間垂直壁面自然對流換熱的特點：

（1）浮升力是自然對流的動力，格拉曉夫數Gr對自然對流換熱起決定作用；

（2）自然對流邊界層的最大速度在邊界層內部，其數值隨Pr增大而減小，位置向壁面移動；

（3）對于液態(tài)金屬除外的所有流體，。隨Pr增大，層流邊界層厚度變化不大，但熱邊界層厚度迅速減小，壁面處溫度梯度增大，換熱增強；

（4）Gr的大小決定了自然對流的流態(tài)，絕大多數文獻推薦用瑞利數作為流態(tài)的判據；

（5）隨著層流邊界層的加厚，hx逐漸減小，當邊界層從層流向紊流過渡時又增大。實驗研究表明，在旺盛紊流階段，hx基本上不隨壁面高度變化。當前第28頁\共有40頁\編于星期四\1點293.大空間自然對流換熱特征數關聯式

特征數關聯式：定性溫度：自?；斍暗?9頁\共有40頁\編于星期四\1點30

對于豎圓柱，如果滿足下式(1)豎平壁或豎圓柱可以按垂直壁面處理。

丘吉爾（S.W.Churchill）和朱（H.H.S.Chu）提出了對等壁溫和常熱流邊界條件、對層流和湍流都適用的豎壁面自然對流換熱計算公式：適用范圍：當前第30頁\共有40頁\編于星期四\1點31

對于層流更精確的公式適用范圍：

對于常熱流邊界條件下豎壁的自然對流換熱，壁面溫度未知，并且沿壁面分布不均勻，往往需要確定局部壁面溫度。引進一個修正的局部格拉曉夫數適用范圍：，層流。當前第31頁\共有40頁\編于星期四\1點32適用范圍：，湍流。定性溫度：由于tw,x未知，需采用試算法。(2)傾斜表面和水平表面

相對于鉛垂線傾角在60以內的傾斜表面，只需用gcos代替Gr數中的g，就仍可以用豎平壁時的關聯式計算。這種計算只用于傾斜冷板的上表面或者熱板的下表面。當前第32頁\共有40頁\編于星期四\1點33水平表面

對于等壁溫熱板上表面或冷板下表面的自然對流換熱Nu=0.54Ra1/4,104≤Ra≤107

Nu=0.15Ra1/3,107≤Ra≤1011以上三式的特征尺寸為平板表面積與周長之比A/P

。

對于等壁溫熱板下表面或冷板上表面的自然對流換熱Nu=0.27Ra1/4,105≤Ra≤1011

當前第33頁\共有40頁\編于星期四\1點34

對于常熱流熱板上表面或冷板下表面的自然對流換熱適用范圍：

對于常熱流熱板下表面或冷板上表面的自然對流換熱適用范圍：

注意：自然對流換熱特征數關聯式的定性溫度都是邊界層膜溫度，即

以上兩式的特征尺寸為平板表面積與周長之比A/P，但對于矩形平板，取短邊長度為特征尺寸。當前第34頁\共有40頁\編于星期四\1點35

丘吉爾和朱給出了等壁溫或常熱流水平長圓柱都適用的公式適用范圍：，特征長度：圓柱外徑d。（3）水平圓柱表面的自然對流換熱

摩根（V.T.Morgan）給出了等壁溫水平長圓柱表面的自然對流換熱關聯式當前第35頁\共有40頁\編于星期四\1點36（4）球體表面的自然對流換熱

丘吉爾推薦了球體外部自然對流換熱關聯式適用范圍：特征長度：球體外徑d?？諝庠谒綀A柱表面的自然對流換熱關聯式定性溫度：適用范圍：當前第36頁\共有40頁\編于星期四\1點374.有限空間自然對流換熱式中e是流體的當量導熱系數,對于水平夾層，導熱六邊形蜂窩狀環(huán)流，稱為貝納德蜂窩（Benardcells）蜂窩狀環(huán)流消失，形成湍流。當前第37頁\共有40