對(duì)流換熱-第六章

第六章單相流體對(duì)流換熱及準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式第一節(jié)管內(nèi)受迫對(duì)流換熱本章重點(diǎn)：準(zhǔn)確掌握準(zhǔn)那么方程式的適用條件和定性溫度、定型尺寸確實(shí)定。1-1一般分析流體受迫在管內(nèi)對(duì)流換熱時(shí)，還應(yīng)考慮以下因素的影響：=1\*GB3①進(jìn)口段與充分開展段，=2\*GB3②平均流速與平均溫度，=3\*GB3③物性場(chǎng)的不均勻性，=4\*GB3④管子的幾何特征。一、進(jìn)口段與充分開展段1．流體在管內(nèi)流動(dòng)的主要特征是，流動(dòng)存在著兩個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)段，即流動(dòng)進(jìn)口〔或開展〕段和流動(dòng)充分開展段，如下圖?！?〕從管子進(jìn)口到邊界層集合處的這段管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)稱為管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口段?！?〕進(jìn)入定型流動(dòng)的區(qū)域稱為流動(dòng)充分開展段。在流動(dòng)充分開展段，流體的徑向速度分量v為零，且軸向速度不再沿軸向變化，即：，2．管內(nèi)的流態(tài)〔1〕如果邊界層在管中心處集合時(shí)流體流動(dòng)仍然保持層流，那么進(jìn)入充分開展區(qū)后也就繼續(xù)保持層流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)層流流動(dòng)過程。用判斷流態(tài),式中為管內(nèi)流體的截面平均流速，d為管子的內(nèi)直徑，ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度?！?〕如果邊界層在管中心處集合時(shí)流體已經(jīng)從層流流動(dòng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，那么進(jìn)入充分開展區(qū)后就會(huì)維持紊流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動(dòng)過程。〔3〕如果邊界層集合時(shí)正處于流動(dòng)從層流向紊流過渡的區(qū)域，那么其后的流動(dòng)就會(huì)是過渡性的不穩(wěn)定的流動(dòng)，稱為流體管內(nèi)過渡流動(dòng)過程。3．熱進(jìn)口段和熱充分開展段當(dāng)流體溫度和管壁溫度不同時(shí)，在管子的進(jìn)口區(qū)域同時(shí)也有熱邊界層在開展，隨著流體向管內(nèi)深入，熱邊界層最后也會(huì)在管中心集合，從而進(jìn)入熱充分開展的流動(dòng)換熱區(qū)域，在熱邊界層集合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。隨著流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪鳎瑹徇吔鐚右嘤袑恿骱臀闪鳠徇吔鐚又?。熱充分開展段的特征對(duì)常物性流體，在常熱流和常壁溫邊界條件下，熱充分開展段的特征是：及與管內(nèi)任意點(diǎn)的溫度組成的無量綱溫度隨管長(zhǎng)保持不變，即：式中，—管內(nèi)任意點(diǎn)的溫度，僅是的函數(shù)。那么又及常物性流體在熱充分開展段的外表傳熱系數(shù)保持不變。〔〕流動(dòng)進(jìn)口段與熱進(jìn)口段的長(zhǎng)度不一定相等，這取決于數(shù)：當(dāng)時(shí)，流動(dòng)進(jìn)口段<熱進(jìn)口段；當(dāng)時(shí)，流動(dòng)進(jìn)口段=熱進(jìn)口段；當(dāng)時(shí)，流動(dòng)進(jìn)口段>熱進(jìn)口段；管內(nèi)局部外表傳熱系數(shù)隨的變化，如下圖。在進(jìn)口處，邊界層最薄，具有最高值，隨后降低。在層流情況下，趨于不變值的距離較長(zhǎng)?！踩肟诙斡袕?qiáng)化換熱的作用，所以短管強(qiáng)化換熱〕管內(nèi)外表傳熱系數(shù)的變化常物性流體層流熱進(jìn)口段長(zhǎng)度在常壁溫〔如冷凝器、蒸發(fā)器〕條件下：在常熱流〔如電加熱器〕條件下：從以上兩式可以看出，層流進(jìn)口段長(zhǎng)度隨增加而變長(zhǎng)。在紊流情況下，當(dāng)邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱?，將?huì)有所上升，并迅速趨于定值。紊流時(shí)的熱進(jìn)口段較層流短得多，為管徑的10～45倍。二、管內(nèi)流體平均速度及平均溫度1．管內(nèi)流體平均速度—體積流量，，—管斷面積，管斷面平均溫度的計(jì)算2．管內(nèi)流體平均溫度管斷面平均溫度的計(jì)算管內(nèi)流體平均溫度有兩種：按焓值計(jì)算斷面平均溫度：進(jìn)入充分開展段后，速度分布不沿軸向變化，但流體一邊流動(dòng)一邊換熱，器其溫度場(chǎng)不僅沿徑向變化，且沿軸向變化。取一個(gè)微元斷面，面積為，那么單位時(shí)間通過的流體質(zhì)量為：，它的焓為：。沿?cái)嗝娣e分得斷面流體的總焓為：對(duì)常物性流體，斷面平均溫度為：按該式計(jì)算斷面平均溫度，必須知道和的分布，比擬麻煩。使用上往往用另一種近似測(cè)溫的方法測(cè)出較面平均溫度，即在測(cè)點(diǎn)之前，設(shè)法將截面上各局部流體充分混合，這樣測(cè)到的溫度實(shí)用上就可作為截面平均溫度?！?〕對(duì)常熱流邊界條件下〔設(shè)物性為常量〕=1\*GB3①全管長(zhǎng)平均溫度可取管的進(jìn)、出口斷面平均溫度的算術(shù)平均值作為全管長(zhǎng)溫度的平均，即=2\*GB3②全管長(zhǎng)的流體與管壁間的平均溫度差可近似取進(jìn)、出口兩斷面溫度差的算術(shù)平均值，即式中，進(jìn)口端流體與管壁溫差，出口端流體與管壁溫差，〔2〕對(duì)常壁溫邊界條件〔〕=1\*GB3①全管長(zhǎng)流體與壁面間的平均溫差為：〔〕稱為對(duì)數(shù)平均溫差。假設(shè)，那么可用代替上式。=2\*GB3②全管長(zhǎng)流體的平均溫度為：或〔，但假設(shè)，那么〕注意：計(jì)算管內(nèi)對(duì)流換熱時(shí)，應(yīng)注意按邊界條件確定流體與管壁間的溫差及其平均溫度。三、物性場(chǎng)不均勻在有換熱的條件下，管截面上的溫度是不均勻的。溫度不同導(dǎo)致管截面上流體物性也有差異，特別是黏度不同將使管截面上的速度分布與等溫流動(dòng)時(shí)的分布有所不同，如下圖。1、對(duì)液體，，那么當(dāng)液體被冷卻時(shí)，近壁處的黏度較管心高〔〕，壁面粘性力增大，速度將低于等溫流的情況。，，那么當(dāng)液體被加熱時(shí)，近壁處的黏度較管心低〔〕，壁面粘性力減小，速度將高于等溫流的情況。顯然，流體被加熱時(shí)壁面處的速度梯度大于流體被冷卻時(shí)壁面處的速度梯度。在流體平均溫度相同的條件下，這將造成加熱流體時(shí)的外表傳熱系數(shù)大于冷卻流體時(shí)的外表傳熱系數(shù)。這是不均勻物性場(chǎng)的影響。2、對(duì)氣體其情形與液體正好相反。3、由于管內(nèi)各處溫度不同，流體密度也不同，會(huì)引起自然對(duì)流，改變速度分布，影響換熱過程。特別是對(duì)：大管徑、低流速或大溫差的管子。四、管子的幾何特征彎曲管、非圓形管、粗糙管也都影響管內(nèi)換熱。1-2管內(nèi)受迫對(duì)流換熱計(jì)算一、紊流換熱當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)時(shí)，管內(nèi)流體處于旺盛的紊流狀態(tài)。此時(shí)的換熱計(jì)算可采用下面推薦的準(zhǔn)那么關(guān)系式〔迪圖斯—貝爾特公式，Dittus-Boelter〕：流體加熱：，流體冷卻：〔5-1〕此式適用于流體與壁面具有中等以下溫差的場(chǎng)合〔即：該溫差下物性場(chǎng)不均勻性帶來的誤差不超過工程允許范圍。對(duì)空氣，溫差小于50℃，對(duì)于水，溫差小于20～30℃式中采用的定型尺寸為管子內(nèi)直徑，定性溫度采用流體平均溫度〔即：管道進(jìn)、出口兩個(gè)端面平均溫度的算術(shù)平均值〕。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：平直管，；，。當(dāng)壁面與流體間有較大溫差時(shí)，流體物性將有明顯改變。這時(shí)應(yīng)考慮溫差修正，西得-塔特〔Sieder-Tate〕推薦的準(zhǔn)那么關(guān)系式為：定型尺寸為管子內(nèi)直徑，定性溫度采用流體平均溫度，按壁溫確定。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：平直管，；，?？紤]溫差修正時(shí)，還可采用其它一些準(zhǔn)那么關(guān)系式?！部砷喿x楊世銘、陶文銓編著的傳熱學(xué)第三版〕對(duì)于非圓形管，上述的公式同樣使用，只是定型尺寸用當(dāng)量直徑。問題：根據(jù)上述準(zhǔn)那么關(guān)系式判斷管徑大小對(duì)換熱的影響。將準(zhǔn)那么關(guān)系式展開，可顯示出影響紊流外表傳熱系數(shù)的有關(guān)因素。=由此可見，當(dāng)流體種類確定后，要增強(qiáng)或削弱換熱，只能通過改變流速和管徑來實(shí)現(xiàn)。，強(qiáng)化換熱。注意：，強(qiáng)化換熱的代價(jià)是流動(dòng)阻力的增加?？紤]各種修正時(shí)，式〔5-1〕為：1、溫度修正當(dāng)實(shí)際的對(duì)流換熱溫差超出實(shí)驗(yàn)控制范圍式，應(yīng)將式〔5-1〕右邊乘以溫差修正系數(shù)，得到的結(jié)果即為大溫差換熱時(shí)的解。當(dāng)流體為液體時(shí)，當(dāng)流體為氣體時(shí)，2、彎管修正〔彎管、螺旋管〕如果管子不是平直管，這對(duì)流體流動(dòng)和換熱會(huì)產(chǎn)生影響。在彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來換熱的增強(qiáng)。如果管道彎曲的局部比擬少，這種影響可以忽略不計(jì)。彎曲管道內(nèi)的流體流動(dòng)換熱必須在平直管計(jì)算結(jié)果的根底上乘以一個(gè)大于1的修正系數(shù)，即。對(duì)于流體為氣體時(shí)：;對(duì)于流體為液體時(shí)：，式中R為彎曲管的曲率半徑。3、入口修正〔短管修正〕當(dāng)管子的長(zhǎng)徑比l/d<60時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng)換熱，進(jìn)口段的影響不能無視。此時(shí)亦應(yīng)在按照長(zhǎng)管計(jì)算出結(jié)果的根底上乘以相應(yīng)的修正系數(shù)。對(duì)于尖角入口的短管，推薦的入口效應(yīng)修正系數(shù)為：。注意：從以上修正系數(shù)可以看出，短管修正系數(shù)和彎管修正系數(shù)不會(huì)小于1，所以工程上可以利用短管和螺旋管來強(qiáng)化對(duì)流換熱。[例6-1][例6-2][例6-3]自學(xué)二、管內(nèi)層流換熱計(jì)算公式當(dāng)雷諾數(shù)Re<2300時(shí)管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)，由于層流時(shí)流體的進(jìn)口段比擬長(zhǎng)，因而管長(zhǎng)的影響通常直接從計(jì)算公式中表達(dá)出來。這里給出Sieder-Tate的準(zhǔn)那么關(guān)系式：此式的適用范圍是：，，，同樣是用于平直管。式中準(zhǔn)那么的特征尺寸、特征流速和定性溫度都仍然前相同。如果管子較長(zhǎng)〔即處于熱充分開展段〕，致使時(shí)，那么可作為常數(shù)處理〔與無關(guān)〕。此時(shí)：〔〔上式只對(duì)圓管適用。注意：流體在管內(nèi)受迫對(duì)流換熱，只有小直徑橫管在管壁與流體之間的溫差比擬小，流速也比擬低的情況下，才有嚴(yán)格的層流換熱，否那么，會(huì)伴隨有自然對(duì)流換熱。三、管內(nèi)過渡流動(dòng)區(qū)換熱計(jì)算公式當(dāng)雷諾數(shù)處于的范圍內(nèi)時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)屬于過渡流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)不穩(wěn)定，從而給換熱計(jì)算帶來較大的困難。因此，工程上常常防止采用管內(nèi)過渡流動(dòng)區(qū)段。這里推薦如下兩個(gè)準(zhǔn)那么關(guān)系式：對(duì)氣體：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：；，。對(duì)液體：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：；，。四、粗糙管壁的換熱根據(jù)類比原理來分析計(jì)算。通過分析可得到流體與管壁間的粘滯應(yīng)力為：根據(jù)雷諾類比得：管內(nèi)對(duì)流換熱類比律表達(dá)式使用該公式的條件是：Pr=1；粗糙管；紊流假設(shè)考慮物性影響，用修正，那么：定性溫度：流體平均溫度。摩擦系數(shù)取決于：壁面粗糙度和雷諾數(shù)。粗糙度增加，摩擦系數(shù)變大，外表傳熱系數(shù)也增大。雷諾數(shù)增大，層流底層的厚度減小，粗糙顆粒凸出到主流中的高度增大，對(duì)流體的擾動(dòng)加強(qiáng)，外表傳熱系數(shù)也增大。粗糙點(diǎn)能增強(qiáng)換熱，縮小設(shè)備面積，節(jié)省設(shè)備投資，但流動(dòng)阻力增加，使泵的功率消耗增加。因此，只有在增強(qiáng)換熱是主要目的的場(chǎng)合下，才宜于用提高粗糙度來增強(qiáng)換熱?？偨Y(jié)：管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的強(qiáng)化措施管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)可以大致寫成以下統(tǒng)一的形式：從此式出發(fā)分析強(qiáng)化管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的措施。1、提高流速與成正比，流速增加，有可能使流動(dòng)狀態(tài)改變，即由層流變?yōu)槲闪?，的指?shù)變大〔層流，紊流〕提高換熱效果。注意：流速增加阻力增加，還可能使流體出口溫度不能滿足工藝要求。必須綜合考慮，選擇最正確流速。2、減少管子當(dāng)量直徑，減少的方法有：〔1〕選用小直徑管子做傳熱面。目前，工程上采用的管子〔如：鍋爐水冷壁管和冷凝器管等〕直徑都比過去小。〔2〕采用異型管如采用橢圓管或扁園管等。在濕周相同的情況下，由于流體流動(dòng)截面積減小，當(dāng)量直徑減小，從而使增加?！?〕采用內(nèi)肋管一方面可使流動(dòng)截面積減小，濕周增加，當(dāng)量直徑減小，使增加；另一方面由于管內(nèi)對(duì)流換熱面積增加，對(duì)流傳熱熱阻將減小。3、采用彎管或螺旋管彎管或螺旋管產(chǎn)生二次環(huán)流。4、采用短管5、人為擾動(dòng)邊界層受到擾動(dòng)后，熱阻減小，對(duì)流換熱強(qiáng)化。方法有：加擾動(dòng)元件或填充五；采用內(nèi)螺紋管；使用粗糙壁面；使用超聲波等。思考題：1為什么在傳熱過程中，大的流體換熱能力對(duì)壁面粗糙度比擬敏感？2管壁粗糙度對(duì)換熱有何影響？3流體在管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱時(shí)，溫度分布如何開展？4為什么邊界層內(nèi)的厚度沿流動(dòng)方向愈來愈厚？為什么紊流邊界層增長(zhǎng)得比層流邊界層快？邊界層厚度受那些因素的影響？5為什么邊界層內(nèi)流動(dòng)情況對(duì)換熱系數(shù)有重要影響？對(duì)流換熱中，流體內(nèi)哪一局部溫度梯度最大？為什么？6液體在管內(nèi)紊流流動(dòng)換熱，分成加熱或冷卻兩種情況，設(shè)兩種情況下管徑、流體種類、平均溫度和流速均相同，試分析它的對(duì)流換熱系數(shù)是否相同？解釋所得結(jié)論。第二節(jié)外掠圓管對(duì)流換熱一、外掠單管〔外部流動(dòng)〕流體橫向繞流圓柱體時(shí)，當(dāng)Re數(shù)較大時(shí)，流體在邊界層發(fā)生別離。觀測(cè)給出，繞流圓柱的流動(dòng)當(dāng)Re<10時(shí)流動(dòng)不會(huì)發(fā)生別離現(xiàn)象；當(dāng)時(shí)，邊界層為層流，流動(dòng)別離點(diǎn)在之間；當(dāng)，邊界層在別離點(diǎn)前已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎鲃?dòng)別離點(diǎn)在處。這里定義的雷諾數(shù)為：，式中，為來流速度，d為圓柱體外直徑。邊界層的成長(zhǎng)和別離決定了外掠圓管換熱的特征。如圖，給出了繞流圓柱體的換熱系數(shù)沿著圓柱體壁面變化的情況〔常熱流條件下圓管壁面局部努謝爾特?cái)?shù)隨角度的變化〕。在圓柱體的前端，換熱系數(shù)有極大值，隨后換熱系數(shù)逐漸降低，在左右，換熱系數(shù)有最小值?！策@種降低是由于邊界層厚度的增厚〕在低雷諾數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)著別離點(diǎn)，隨后由于流動(dòng)的別離，流體產(chǎn)生擾動(dòng)，強(qiáng)化了傳熱，從之后，換熱系數(shù)逐漸增加。在高雷諾數(shù)時(shí)，換熱系數(shù)有兩次上升。第一次上升在之間，這是由于層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌５诙紊仙谧笥?，這是由于流體別離的緣故。從中不難看出，沿著圓柱體外表的換熱系數(shù)是變化的，且變化較為劇烈?？傮w而言，換熱性能在別離點(diǎn)前要比別離點(diǎn)后要好。換熱性能的變化會(huì)在等熱流加熱的情況下引起圓柱體外表的溫度變化，而這種變化在高溫下會(huì)造成圓柱體〔或管壁〕較大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響換熱設(shè)備的平安運(yùn)行。雖然局部換熱系數(shù)變化比擬復(fù)雜，但從平均外表傳熱系數(shù)看，有比擬規(guī)律的漸變性。如圖6-10。對(duì)流體外掠單管對(duì)流換熱的準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式推薦為：適用范圍為：，，當(dāng)時(shí)，。定性溫度：主流溫度。定型尺寸：管外徑。速度：管外流速最大值。在圖6-10中，按分為4段，每段的、是不同的。二、外掠管束管束〔長(zhǎng)圓柱體束〕是由多根長(zhǎng)管〔長(zhǎng)圓柱體〕按照一定的的排列規(guī)那么組合而成，常常是熱交換設(shè)備的組件，工程上使用管束要比使用單管為多。管外流體一般設(shè)計(jì)成從垂直管軸方向沖刷管束。管束的排列方式很多，最常見的有順排和叉排兩種。如圖，顯示了這兩種排列方式幾何結(jié)構(gòu)和相關(guān)的尺寸。不管哪一種排列方式，流動(dòng)情況都比單管時(shí)要復(fù)雜，這是因?yàn)楣茏又g相對(duì)緊密的排列造成各自流場(chǎng)間的相互影響，從而也就影響到流體與管壁之間的換熱。叉排時(shí)，流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng)。順排時(shí)，流道相比照擬平直。叉排時(shí)流體擾動(dòng)較好，所以一般地說，叉排時(shí)的換熱比順排時(shí)強(qiáng)，同時(shí)叉排時(shí)的流動(dòng)阻力也比順排時(shí)大，順排有易于清洗的優(yōu)點(diǎn)。外掠管束換熱的特點(diǎn)是：流體流過順排或叉排管束的第一排管面時(shí)的流動(dòng)和換熱情況與流過單管的情形是相似。但從第二排開始，順排時(shí)管子的前后都處于前一排管的回流區(qū)中，流動(dòng)和換熱不同于第一排管；對(duì)于叉排排列，盡管從第二排管以后，流動(dòng)情況與單管時(shí)看似相同，但由于前排造成的流場(chǎng)擾動(dòng)會(huì)使流動(dòng)和換熱情形差異較大。這些都導(dǎo)致后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排管以后各排管之間的流動(dòng)換熱特征就沒有多少差異了。但是前幾排管換熱性能上的差異，對(duì)于整個(gè)管束換熱性能的影響，會(huì)隨著管排數(shù)的增加而減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)管排數(shù)超過10排之后，換熱性能就根本穩(wěn)定不變了。影響管束換熱的因素有：數(shù)、數(shù)、叉排或順排，此外還有管子排數(shù)、管子直徑及管間距〔與流向垂直的橫向間距和與流向平行的縱向間距〕。管束換熱的關(guān)聯(lián)式為：寫成冪函數(shù)形式為：式中，——為相對(duì)管間距，——反映不均勻物性場(chǎng)的影響——為管子排數(shù)影響的修正系數(shù)第三節(jié)自然對(duì)流換熱〔free-convectionheattransfer〕這節(jié)課主要介紹四方面的內(nèi)容：自然對(duì)流的概念及分類、大空間自然對(duì)流換熱、有限空間自然對(duì)流換熱和混合對(duì)流換熱。3-0自然對(duì)流換熱的概念及分類在本章第一節(jié)介紹了管內(nèi)受迫對(duì)流換熱，在第二節(jié)介紹了流體外掠圓管和管束對(duì)流換熱，它們都屬于受迫對(duì)流換熱。自然對(duì)流換熱與受迫對(duì)流換熱的區(qū)別在于流體流動(dòng)的起因不同。問：受迫對(duì)流的起因是什么？是受外力驅(qū)動(dòng)，比方，泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。而自然對(duì)流流動(dòng)的動(dòng)力不是來自于外力，而是流體內(nèi)部產(chǎn)生的。1．自然對(duì)流〔naturalconvectionorfreeconvection〕：流場(chǎng)溫度分布不均勻?qū)е碌拿芏炔痪鶆蚍植?，在重力?chǎng)的作用下產(chǎn)生的流體運(yùn)動(dòng)過程。2．自然對(duì)流換熱(free-convectionheattransfer)：流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對(duì)流時(shí)發(fā)生的熱量交換過程。〔流體與固體是接觸的，且原來流體是靜止的〕自然對(duì)流換熱是一種非常普遍的熱量傳遞現(xiàn)象。比方人體外表的散熱、冰箱反面冷凝器的散熱，采暖散熱器的散熱、電器元件的散熱等。問：在地球外表設(shè)計(jì)的自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)，到太空中是否仍然有效？答：無效。在太空中，是微重力(microgravity)條件，此時(shí)自然對(duì)流十分微弱，以至于可以忽略。隨著航天事業(yè)的開展，微重力條件下的流動(dòng)和傳熱研究正方興未艾，這是不同于正常重力條件下的新的研究領(lǐng)域。我們這里介紹的是正常重力條件的自然對(duì)流換熱。3．自然對(duì)流換熱的分類自然對(duì)流造成的流體的流動(dòng)會(huì)在物體壁面附近開展出邊界層。根據(jù)邊界層的開展是否受到周圍空間的限制，一般將自然對(duì)流換熱分成兩大類：〔1〕大空間自然對(duì)流換熱(free-convectionheattransferininfinitespaces)邊界層的開展不受到空間的限制。大空間自然對(duì)流換熱并不要求外表附近空間無限大，只要在外表附近的其余外表對(duì)該外表的自然對(duì)流邊界層不產(chǎn)生影響。如豎直平板，水平平板和水平管外表的對(duì)流換熱。大空間自然對(duì)流換熱實(shí)例：暖氣片與室內(nèi)空氣的換熱。大空間自然對(duì)流換熱〔2〕有限空間自然對(duì)流換熱(free-convectionheattransferinenclosedspaces)邊界層的開展受到空間的限制。如：夾層中，環(huán)縫中。實(shí)例：雙層玻璃窗的玻璃夾層，火車車窗的夾層等。思考題：暖氣片的安裝有一定的離墻距離要求，為什么？由于在本專業(yè)中，更多的接觸的是象暖氣片、冷凝器、蒸發(fā)器等的外外表與流體的換熱問題，所以下面重點(diǎn)討論大空間自然對(duì)流換熱。對(duì)有限空間自然對(duì)流換熱僅進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。受限空間自然對(duì)流換熱3-1大空間自然對(duì)流換熱受限空間自然對(duì)流換熱分析對(duì)象：豎直平板在空氣中的自然冷卻過程〔〕。1．自然對(duì)流的速度邊界層及其流動(dòng)特點(diǎn)〔1〕自然對(duì)流的速度邊界層流體在壁面附近形成的一個(gè)流動(dòng)的薄層〔這個(gè)薄層的厚度與豎板的定型尺寸相比是很薄的〕，稱為自然對(duì)流的速度邊界層?！?〕邊界層的流態(tài)=1\*GB3①層流邊界層：在豎壁下部?！苍谪Q壁下部必定為層流〕=2\*GB3②紊流邊界層：如果條件適宜〔比方平板足夠高，或外表與主流溫差足夠大等〕，在外表的上部層流也會(huì)轉(zhuǎn)變成紊流。=3\*GB3③流態(tài)的判據(jù)問：受迫流動(dòng)的流態(tài)是根據(jù)什么來判別的？Re數(shù)。自然對(duì)流的流態(tài)通常是根據(jù)〔〕的大小來判別的。對(duì)于豎板外表的自然對(duì)流，注意：對(duì)于不同的壁面形狀和位置，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)對(duì)應(yīng)的〔〕值是不同的?！?〕邊界層中的速度特點(diǎn)問：自然對(duì)流邊界層與受迫對(duì)流的速度邊界層形狀很相似，它們有差異嗎？答：速度分布有明顯差異，表達(dá)在：速度剖面〔y方向上的速度分布〕的不同，自然對(duì)流邊界層中速度從零經(jīng)最大值后再到零值，而受迫對(duì)流邊界層中速度從零變化到最大值，即來流速度。2．自然對(duì)流的溫度邊界層及其溫度特點(diǎn)〔1〕自然對(duì)流的溫度邊界層溫度從逐步變化到環(huán)境溫度的邊界層，稱為溫度邊界層。由于空氣的，所以溫度邊界層的厚度大于速度邊界層，即。問：自然對(duì)流的溫度邊界層與受迫對(duì)流的邊界層相似嗎？〔相似〕〔2〕溫度邊界層中的溫度特點(diǎn)3．外表換熱系數(shù)的變化規(guī)律邊界層中的流態(tài)將影響換熱規(guī)律?！?〕層流時(shí)：換熱熱阻完全取決于層流邊界層的厚度。〔2〕紊流時(shí)：在常壁溫或常熱流邊界條件下，當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入旺盛紊流時(shí)，，與豎壁高度無關(guān)。在工程上，通常是計(jì)算豎板在冷卻過程中放出的熱量。根據(jù)牛頓冷卻公式：W計(jì)算中，h是采用整個(gè)平板的平均外表換熱系數(shù)，因而在后面的換熱計(jì)算中，主要給出計(jì)算平均換熱性能的準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式。4．豎板自然對(duì)流換熱準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式的一般形式為：。下面分別介紹常壁溫和常熱流壁面條件的準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式?！?〕常壁溫壁面條件，即〔如：冷凝器、蒸發(fā)器外表〕==1\*GB3①定性溫度：=2\*GB3②定型〔特征〕尺寸：對(duì)豎板或豎管〔圓柱體〕，定型尺寸為板〔管〕高?！?〕常熱流壁面條件，即〔如：電子元器件外表的自然對(duì)流冷卻〕在這樣的情況下，為量，為未知量，那么中的為未知量。為方便起見，在準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式中采用〔稱為修正〕代替，那么：在常熱流條件下，局部外表傳熱系數(shù)準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式為：在計(jì)算此式時(shí)，未知，那么未知，所以需用試算法，假定的值。以上介紹了豎壁外表自然對(duì)流換熱的情況。對(duì)于水平壁外表的自然對(duì)流換熱，仍可用上面給出的準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式。只是在不同條件下，準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式中的、取值不同，定型尺寸的取法也不同。課本166頁，表6-5給處了不同壁面情況下的自然對(duì)流換熱中、的值。5．自模化〔self-modeling〕現(xiàn)象分析常壁溫條件時(shí)的準(zhǔn)那么關(guān)聯(lián)式：從該式可以看到，當(dāng)時(shí)，式中的定型尺寸l就消去了?？梢钥吹剑藭r(shí)h與l無關(guān)。從表6-5可以看到，對(duì)于豎壁，水平圓筒壁，熱面朝上或冷面朝下的水平壁，紊流時(shí)，。同樣，在常熱流壁面時(shí)，在中，當(dāng)時(shí)，定型尺寸l就消去，h與l無關(guān)。從表6-5可以看到，對(duì)于豎壁，紊流時(shí)，?！?〕自模化現(xiàn)象：紊流自然對(duì)流的外表傳熱系數(shù)與定型尺寸無關(guān)的現(xiàn)象?！沧阅；F(xiàn)象只能發(fā)生在溫流時(shí)〕〔2〕自?；暮锰帲鹤阅；瘜?duì)于指導(dǎo)紊流自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)具有很大的作用，實(shí)驗(yàn)中只要保持模型外表為紊流自然對(duì)流就可以了，而模型的尺寸不要求非要到達(dá)相似原理所要求的尺寸，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可用于原型中，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏p少對(duì)降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，方便實(shí)驗(yàn)操作都有很大的益處。3-2受限空間中的自然對(duì)流換熱有些自然對(duì)流換熱過程受到固體外表的限制而形成受限空間中的自然對(duì)流換熱，如下列圖中的情況?！?〕豎夾層〔2〕水平夾層〔3〕水平環(huán)縫受限空間自然對(duì)流換熱過程〔1〕豎夾層〔2〕水平夾層〔3〕水平環(huán)縫受限空間自然對(duì)流換熱過程1．受限空間中的自然對(duì)流特征從圖中可看出，在兩壁面存在溫度差時(shí)流體