第六章 單相對流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.ppt

1、第六章單相對流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式、6-1相似原理和維數(shù)分析，需要找出許多變量之間的函數(shù)關(guān)系，如實(shí)驗(yàn)次數(shù)龐大。 我在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)該測定那些的量嗎？ 實(shí)驗(yàn)后，如何整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？ 得到的結(jié)果可以普及的條件是什么？ 為了大幅度減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，并得到具有一定通用性的結(jié)果，必須在類似原理的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 另一方面，物理現(xiàn)象相似的定義，(1)能夠以相同形式用具有相同內(nèi)容的差分方程來表達(dá)相似的問題是同類現(xiàn)象，(2)有關(guān)現(xiàn)象的物理量一對一對應(yīng)地成比例。 (3)對于非穩(wěn)定問題，在該時(shí)刻求出與各物理量的空間分布成比例。 對于兩種同類的物理現(xiàn)象，如果在相應(yīng)的時(shí)間和相應(yīng)的地方與現(xiàn)象和現(xiàn)象的物理量成一對一比例，那么這兩種現(xiàn)

2、象可以說是相似的。 二、相似原理的內(nèi)容、1 .相似現(xiàn)象間的重要特性同名的確定特征數(shù)相等，將壁面附近的流體溫度分布、以tw-tf為溫度的尺度、有熱交換面的特征尺寸l作為長度尺度，無量綱化上式。 相似對流傳熱現(xiàn)象的奴隸人胞數(shù)Nu相等。 2 .同一種類現(xiàn)象中類似特征數(shù)的數(shù)量和其間關(guān)系相互類似的物理現(xiàn)象、特征數(shù)組間的關(guān)系相同。 定理：表示n個(gè)物理量間的關(guān)系的維一致的方程式一定能夠變換為包含n-r個(gè)獨(dú)立的無量綱量群間的關(guān)系式。 r是關(guān)于n個(gè)物理量的基本維數(shù)。 3 .兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似的必要條件，同名特征數(shù)相等的單值性條件相似(1)初始條件()邊界條件()幾何條件()物理?xiàng)l件，三、獲得相似基準(zhǔn)數(shù)的方法相

3、似分析法和維度分析法，1 .相似分析法：基于已知物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)描述，現(xiàn)象1 :現(xiàn)象2 :數(shù)學(xué)描述： 有關(guān)現(xiàn)象的各物理力場必須分別類似，即，類似倍數(shù)之間的關(guān)系：得到無量綱量與其關(guān)系：上式證明了“同名特征數(shù)對應(yīng)相等”的物理現(xiàn)象相似的特性，類似：通過流體的體積膨脹系數(shù)K-1 Gr表示流體的浮力和黏滯力的比，a基本上表示定理， 通過表示n個(gè)物理量之間的關(guān)系的維數(shù)一致的方程式，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得必須包括n - r個(gè)獨(dú)立的無量綱物理量群之間的關(guān)系。 r是基本維數(shù)。 b優(yōu)點(diǎn)： (a )方法簡單，即使不知道(b )差分方程，也能得到無量綱量，二維分析法：在知道相關(guān)物理量的前提下得到無量綱量。 (a )確定相關(guān)的

4、物理量，(b )確定基本維r，例題：以圓管內(nèi)單相強(qiáng)制對流熱交換為例，國際單位制的7個(gè)基本量：長度m、質(zhì)量kg、時(shí)間s、電流a、溫度k、物質(zhì)的量mol、發(fā)光我們選擇u，d作為基本物理量，(c )構(gòu)成三個(gè)無量綱量，(d )求出保留指數(shù)，(d )求出保留指數(shù)，(d )以(d)1為例，同樣有：單相，強(qiáng)制對流，1 .按照類似原理整理實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果已經(jīng)上升到代表整個(gè)相似組的地位，常用的方法是決定的基準(zhǔn)的冪函數(shù)形式，2 .特征數(shù)方程式(實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式)的經(jīng)常使用的形式，這個(gè)實(shí)用關(guān)聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)是縱，橫軸都是在對數(shù)的對數(shù)坐標(biāo)圖上直線得到的式中，c，n，m 并以1g(NuPrm )為縱軸，用

5、不同Re數(shù)的管內(nèi)湍流熱交換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定c和n。 從圖中可以得到c=0.23、n0.8。 同一Re數(shù)不同種類流體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由圖先決定m值。 模型化試驗(yàn)是指用與實(shí)物的幾何尺度不同的模型(多為縮小的模型)研究實(shí)際裝置中進(jìn)行的物理過程的試驗(yàn)。 二、應(yīng)用相似原理指導(dǎo)建模實(shí)驗(yàn)，三、使用特征方程時(shí)應(yīng)注意的問題，(1)特征長度應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)公式規(guī)定的方式選擇，特征長度：相似特征數(shù)中包含的幾何長度，如管內(nèi)流動(dòng)換熱：以直徑d流體流經(jīng)流通截面形狀不規(guī)則槽的當(dāng)量直徑為特征尺度，()定性溫度為常用的選擇方法是，通道內(nèi)部的流動(dòng)取輸入出口斷面的平均值外部的流動(dòng)取邊界層外的流體溫度，或者取其溫度和壁面溫度的平均值。 ()基準(zhǔn)方程

6、式不能在得到該方程式的實(shí)驗(yàn)殘奧儀表的范圍外任意擴(kuò)展，殘奧儀表范圍主要是數(shù)個(gè)范圍的數(shù)個(gè)范圍幾何殘奧儀表的范圍。 常見的無量綱(準(zhǔn)則數(shù))數(shù)的物理意義和表達(dá)式，6-3內(nèi)部流動(dòng)強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動(dòng)和換熱特征1、流動(dòng)層流和紊流分層流：過渡區(qū)：湍流：2、入口段熱邊界層薄、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。 層流入口段長度：湍流時(shí)：3 .熱邊界條件有均勻壁和均勻熱流兩種湍流：除液體金屬外，兩種條件之差不能計(jì)算層流：兩種邊界條件下的熱交換系數(shù)之差明顯. 定性溫度：補(bǔ)正物性的定性溫度是斷面上流體的平均溫度(或輸入通訊端口斷面平均溫度)多。 用實(shí)驗(yàn)方法測定同一截面上的速度和溫度分布后，用下式確定該截面上流

7、體的平均溫度：4 .流體的平均溫度和流體與壁面的平均溫度差，可以對恒熱流條件。 在定壁溫度條件下，截面上的局部溫度差為變化值，能夠使用熱平衡公式：公式中、應(yīng)利用質(zhì)量流率的分別作為出口、進(jìn)口截面的平均溫度的平均溫度差、對數(shù)平均溫度差而校正：之間時(shí)的算術(shù)平均數(shù)溫度差、二、管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，公式中的：定性溫度可使用流體平均溫度、加熱流體、蒸發(fā)制冷流體時(shí)。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：該公式適用于流體與壁面之間存在中等程度以下溫差的情況。 1 )狄忒斯帶式、管路內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱。 1 .通常的流體(Pr0.6的流體)，在熱交換條件下截面上的溫度不均勻，速度分布變形。 一般在關(guān)聯(lián)式中導(dǎo)入乘數(shù)，考慮不均勻

8、物性場對熱交換的影響。 (2)物性的影響的修正，在溫度差超過上述推薦幅度的情況下，可以用以下的任意公式進(jìn)行修正。狄斯帶的修正公式，在氣體被加熱、氣體被蒸發(fā)制冷、液體、液體被加熱、液體被蒸發(fā)制冷時(shí)，(3)非圓形斷面槽道以等效直徑為特征尺度適用于上述的基準(zhǔn)方程式。 式中：通道的流動(dòng)截面積p為濕周長。 (4)入口段入口段的傳熱系數(shù)高。 對于普通工業(yè)設(shè)備中的尖角入口，有以下入口效應(yīng)校正因數(shù)：2 )苯胺牛鼻子式：液體、對氣體、l是管長； f是管內(nèi)湍流流動(dòng)的達(dá)西阻力系數(shù)：范圍為：螺線管強(qiáng)化了熱交換。 與此相對，螺線管校正因數(shù)：對氣體，對液體，2 .液體金屬對Pr(Pr=310-3510-2 )數(shù)小的液體金

9、屬，熱交換規(guī)律完全不同。 均勻熱流邊界，特征長度為內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。 均一熱流邊界實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：均一壁溫邊界，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：三.管內(nèi)層流熱交換關(guān)系式，續(xù)表，實(shí)際工序換熱設(shè)備中，層流時(shí)的熱交換總是在入口段的范圍內(nèi)。 定性溫度由流體平均溫度決定，(由壁溫決定)，管內(nèi)徑為特征長度，管處于均勻的壁溫。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為6-4外強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層和熱邊界層可自由發(fā)展，不受相鄰壁面存在的限制。 橫穿單管：流體沿垂直于管道軸線的方向在管道表面流動(dòng)。 流動(dòng)具有邊界層的特點(diǎn)，還發(fā)生卷流脫體。 一、流體橫斷單管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一、流體橫斷單管流動(dòng)特征邊界層的分離，流體

10、在圓管位置流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)斷面的縮小、流速的增加、壓力的降低，后半部分隨著流動(dòng)斷面的增加，壓力又恢復(fù)。 在邊界層內(nèi)，流體以自身的運(yùn)動(dòng)量克服壓力成長向前方流動(dòng)，速度分布有變緩的傾向。 因?yàn)榻诹黧w層運(yùn)動(dòng)量少，克服上升的壓力變得越來越困難，終于出現(xiàn)在壁面上速度梯度為零的局面，之后，產(chǎn)生與原來的流動(dòng)方向相反的逆流。 將該轉(zhuǎn)換點(diǎn)稱為擾流板脫體的起點(diǎn)(或分離點(diǎn))。 從這一點(diǎn)來看，由于邊界層的內(nèi)緣從壁面脫離，因此稱為流動(dòng)脫體。 脫體位置依賴于Re數(shù)，在Re10中沒有出現(xiàn)脫體。 10 Re1.5105時(shí)，邊界層發(fā)生層流，脫體發(fā)生=80。 八十五Re1.5105時(shí)邊界層在解體前變成層湍流，解體的發(fā)生后退到14

11、0。 在此，邊界層的生長和脫體決定了外觀圓管換熱的特點(diǎn)。 2 .傳熱系數(shù)沿圓柱面的局部表面的變化在Re數(shù)目低時(shí)，蛻皮前Nu隨著角度的增加而減小。 由于邊界層正在加厚，Nu的恢復(fù)點(diǎn)反映擾流板的起點(diǎn)。 這是因?yàn)槊擉w區(qū)的聲干擾強(qiáng)化了傳熱。 Re數(shù)高時(shí)，第1次的恢復(fù)是由于紊流，第2次的恢復(fù)是由于脫體造成的。 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化比較復(fù)雜，但從平均表面熱交換系數(shù)來看漸變規(guī)定性顯著。 定性溫度，特征長度為管外徑，Re數(shù)的特征速度為下流速度，3 .圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍。 c及n值如表6-5所示，式中：是適用定性溫度的情況。 上述公式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要逐步整理。 丘吉爾和朋快餐對于對

12、流體橫外視單管，提出了在以下的實(shí)驗(yàn)范圍整體適用的標(biāo)準(zhǔn)式。 4、瓦斯氣體橫斷非圓形剖面柱體對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，二、橫斷管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，外視管束在熱交換設(shè)備最常見。 通常，管道有叉列和序列列兩種排列方式。 叉子熱交換強(qiáng)，電阻損失大，難以清洗。 影響管束換熱的因素除數(shù)量外，還有叉列或有序列的管間距離管束列數(shù)等。 后部管受到前列管尾流的聲干擾作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，10列以上的管消失。 在這種情況下，在給出不考慮列數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式之后，采用管束列數(shù)的要素作為校正因數(shù)。朱加斯對流體外視管束熱交換在廣泛的Pr數(shù)變化范圍內(nèi)匯總了更容易使用的公式如下表所示。 式中：定性溫度是進(jìn)出口流體的平均流速Re的

13、特征長度是管外徑。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：由管束的平均壁溫確定，流速采取管束中的最小截面的平均流速，取流體橫貫序列管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)糾正關(guān)聯(lián)式(16列)，6-5大空間和有限空間內(nèi)自然對流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，自然對流：不依賴泵和風(fēng)扇等外力，由流體自身的溫度場的不均勻引起的流動(dòng)。 另一方面，不均勻的溫度場僅在接近熱交換壁面的薄層內(nèi)發(fā)生。 如暖通散熱、扇風(fēng)機(jī)不強(qiáng)制蒸發(fā)制冷的電零配件散熱、一、自然對流傳熱現(xiàn)象特征、邊界層中的速度和溫度分布、波爾豪森分析解與施密特貝克曼實(shí)測結(jié)果、豎板層流自然對流邊界層理論分析與實(shí)測結(jié)果的對比、自然對流也有層流和紊流分布. 層流時(shí)，熱交換熱阻抗主要取決于薄層的厚度。 湍流旺盛時(shí)，

14、局部表面的傳熱系數(shù)大致一定。 從對流換熱差分方程組得到自然對流換熱的基準(zhǔn)方程式參照上圖的坐標(biāo)系，簡化動(dòng)量方程式。 關(guān)于方向，省略二階導(dǎo)數(shù)。 二、與自然對流傳熱的控制方程相似的特征數(shù)，將該關(guān)系帶入上式，引入體積膨脹系數(shù)：在薄層之外，可由上式推導(dǎo)出，故代入動(dòng)量方程，重寫原來的方程，采用相似分析方法，分別作為流速、長度和過剩溫度的尺度得到。 一頭地可以簡單地得到，其中，公式中的第一組合量是雷諾數(shù)，第二組合量(與雷諾數(shù)相乘):被稱為曲線圖數(shù)，是向?qū)油牧鬓D(zhuǎn)換的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 物理上，數(shù)是浮力/黏滯力比的尺度。 數(shù)量的增大顯示出浮力作用的相對增大。 自然對流換熱基準(zhǔn)方程可以將自然對流換熱分為大空間和有限空間兩

15、種。 大空間自然對流：流體的蒸發(fā)制冷和加熱過程互不影響，邊界層不干擾作用。 如圖2熱縱壁，大空間自然對流處理的條件：底部封閉、底部開口時(shí)、三、大空間自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式、一、大空間和有限空間自然對流，工程中廣泛使用的是以下關(guān)聯(lián)式：對符合理想氣體性質(zhì)的氣體。 2、均勻壁溫邊界條件的大空間自然對流，式中：定性溫度采用邊界層的算術(shù)平均數(shù)溫度。 特征長度的選擇：縱壁和縱圓柱取高度，橫圓柱取外徑。 常數(shù)c和n的值如下表所示。 注：縱圓柱和縱壁為相同的關(guān)聯(lián)式，式中定性溫度為(tw t)/2，特征長度L=Ap/P，其中Ap和p分別為平板的換熱面積和周邊長度。 3 .均勻熱流邊界條件對常熱流邊界條件下的自然對流，多采用以下方便的專用形式：式中：定性溫度取平均溫度，特征長度對矩形取短邊長。 閉穿山鼠開關(guān)模式圖，4 .有限空間自然對流換熱，穿山鼠開關(guān)內(nèi)流體流動(dòng)主要取決于以穿山鼠開關(guān)厚度為特征長度的數(shù)：極低時(shí)換熱依賴純導(dǎo)熱：相對于垂直穿山鼠開關(guān)，相對于水平穿山鼠開關(guān)，并隨變高而流向(環(huán)流)層流特征對于縱向空氣穿山鼠開關(guān)，一般的關(guān)系式推薦以下的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式：對于水平空氣穿山鼠開關(guān)，推薦以下的關(guān)系式：式中：定性溫度全部是數(shù)中的特征長度全部。 關(guān)于縱向空氣穿山鼠開關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍，實(shí)際上除了自然