10 第十章 对流换热

1、Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 第十章 对流换热 2 ()W ()W / m wf wf Ah tt qh tt 1 牛顿冷却公式 10-1 概述概述 对流换热: 流体与固体壁直接接触时所发生的热量 传递过程 tf tw h 对流换热过程示意图 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 主要内容： 分析对流换热过程，揭示换热与诸影响因素 的关系。 建立对流换热微分方程组。 讨论求解方法：边界层理论，微分方程求解， 积分方程求解； 类比原理 相似理论 10-1 概述 Fundamentals

2、 of thermal engineering 热工基础热工基础 10-1 概述 2 影响对流换热的因素 (1)流动的起因：影响流体的速度分布与温度分布。 强迫对流换热 自然对流换热 (2) 流动的状态 层流：热量传递主要靠分子扩散（即导热）。 紊流：热量传递主要靠热对流。 hh 迫流自然流强对对 hh 紊流流层 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 10-1 概述 (3) 流体有无相变 沸腾换热 凝结换热 hh 有相相变无变 (4) 流体的物理性质 1）热导率，W/(mK)， 愈大，对流换热愈强烈； 2）密度，kg/m3 3）比热容c，J/

3、(kgK), c反映单位体积流体热容量的 大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流 换热愈强烈； 4）动力粘度，Pas；=/，m2/s。流体的粘度影响 速度分布与流态，因此影响对流换热； Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 10-1 概述 5）体胀系数，K1。 体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生 的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。 定性温度 对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数 值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。 称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的 取法取决于对流换热的类型。 Fundame

4、ntals of thermal engineering 热工基础热工基础 10-1 概述 (5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、 尺寸、相对位置以及表面粗 糙度等几何因素将影响流体 的流动状态，因此影响流体 的速度分布和温度分布，对 对流换热产生影响。 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 ( , , , , , ,) wf hf u ttcl 其中：l 和代表壁面的尺寸和形状特征。 10-1 概述 影响对流换热的因素很多，表面传热系数是很 多变量的函数： 特征长度（定型尺寸）： Fundamentals of thermal e

5、ngineering 热工基础热工基础 对流换热对流换热 无相变无相变 有相变有相变 凝结换热凝结换热 大空间沸腾大空间沸腾 管内沸腾管内沸腾 沸腾换热沸腾换热 管内凝结管内凝结 管外凝结管外凝结 强制对流强制对流 自然对流自然对流 混合对流混合对流 内部流动内部流动 外部流动外部流动 圆管内强制对流换热圆管内强制对流换热 其他形状管道对流换热其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热外掠平板的对流换热 外掠单根圆管的对流换热外掠单根圆管的对流换热 外掠圆管管束的对流换热外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热射流冲击换热 大空间大空间 有限空间有限空间

6、 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 3 对流换热的主要研究方法 分析法 数值法 试验法 比拟法 理论分析、数值计算和 实验研究相结合是目前被广 泛采用的解决复杂对流换热 问题的主要研究方式。 10-1 概述 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 0, ()() xwf yx t qh tt y 0, () x wf yx t h tty 1 1 对流换热微分方程对流换热微分方程 10-2 对流换热的数学描述对流换热的数学描述 粘性流体在壁面上流动,由于粘性的作用, 在贴 壁处热量将只能以

7、导热方式传递。 qx Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 10-2 对流换热的数学描述对流换热的数学描述 对流换热微分方程组对流换热微分方程组控制方程控制方程 未知量：未知量：h、t、u、v、p，共，共5个（个（Fx、Fy 已知）已知） 22 22 22 22 22 22 0 0 ()() ()() ()() x y p f x wfy x u xy uupuu uF xyxxy p uF xyyxy tttt u xycxy t h ytt 连续性方程 动量微分方程 能量微分方程 对流换热微分方程 Fundamentals of ther

8、mal engineering 热工基础热工基础 单值性条件 单值性条件包括：几何、物理、时间、边界 几何条件：说明对流换热过程中的几何形状和大 小，平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径 等 物理条件：说明对流换热过程物理特征，如：物 性参数 、 、c 和 的数值，是否随温度和压力 变化；有无内热源、大小和分布。 10-2 对流换热的数学描述对流换热的数学描述 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 时间条件：说明在时间上对流换热过程的特点， 稳态对流换热过程不需要时间条件（与时间无关）。 边界条件：说明对流换热过程的边界特点，边界 条件

9、可分为二类：第一类、第二类边界条件。 （1）第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程 边界上的温度值； （2）第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程 边界上的热流密度值。 10-2 对流换热的数学描述对流换热的数学描述 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 两物理现象相似，须满足： 同类现象，即物理性质相同，有类同的数学表 达式和内容； 几何相似，即几何形状相似，换热面放置位置 相同； 物理现象相似，即空间对应点上同名物理量成 比例。 1 对流换热准则方程（实验研究方法对流换热准则方程（实验研究方法 10-4节）节） 相似理论 10-4 对

10、流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 对流换热相似准则和准则方程 若两对流换热现象相似，则 0,0, 0, ()() ()1 yxyx htl hlhl yx tt hh tyty htyl cccc htyl c cc cth lh l h ctyc 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 hl Nu 表征换热程度强弱的准则，Nu越大，h 越大，换热越强。 Re ul 表征受迫流动状态的准则，Re大，说 明惯性力大，流态为紊流；Re数小

11、， 说明粘性力大，流态呈层流。 3 2 gtl Gr 表征流体自由流动状态的准则，Gr 大，说明浮升力较大，自由流动剧 烈，自由流动换热较强。（其中 为流体的容积膨胀系数。） 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 表征流体物性对换热影响的准则，Pr大，为导温 能力弱而粘度大的流体，如油类；Pr小，为导温 能力强而粘度小的流体，如液态金属。 / Pr /() p p c ac a 为流体的热扩散率， m2/s 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineerin

12、g 热工基础热工基础 (Re,Pr)NufGr 准则方程： (Re,Pr)Nuf Re Pr nm Nuc 受迫流动： 其中系数 c 和指数 n、m 由实验确定。 (r,Pr)Nuf G 自由流动： 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 ()/2 fff ttt 定性温度：选来确定物性参数的温度，一般可选 流体的平均温度 w t 壁面温度 ()/2 mfw ttt 膜温度 定型尺寸：在准则数中代表换热表面几何特征的 尺寸，常选对流动情况有决定影响的尺寸， （3 ）定性温度和定型尺寸 10-4 对流换热的实验研

13、究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 （1 ）管内受迫流动换热 2 流体受迫流动换热流体受迫流动换热 流动和换热特征 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 w wf tt tt 流动进口段：边界层汇合以前的区段； 流动充分发展段：边界层汇合以后的区段。 进口段内断面平均温度 t 不断变化，采用无量纲温度 分布 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 0.7 1( )

14、l d L 管长对换热的影响 60L d 的长管可忽略进口段的影响； 60L d 的短管，可在长管的基础上加修正 10-4 对流换热的实验研究方法 ()0 w wf tt x tt 热进口段： ()0 w wf tt x tt 热充分发展段： Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 T ()() ffnn ww T 或 流速分布对对流换热系数的影响 ,t气体： t越大，速度分布的变形也越大，对对流换热系 数的影响也越大，这时可引入修正温度修正： 温度对物性及流速分布均有影响， ,t液体： 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamental

15、s of thermal engineering 热工基础热工基础 10-4 对流换热的实验研究方法 换热时管内速度分布的畸变：换热时管内速度分布的畸变： 1-等温流；等温流； 2-冷却液体或加热气体；冷却液体或加热气体； 3-加热液体或冷却气体加热液体或冷却气体 0.11 0.25 0.55 1 f t w f t w f t w t c c T c T c 液体被加热 液体被冷却 气体被加热 气体被冷却 数：温度修正系 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 管道弯曲的影响 1 1.77 R d R 3 1 10.3 R d R 推荐：对于

16、气体 对于液体 R 引入修正系数 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 准则方程 wf wf 0.4 0.3 tt m tt 45 f Re101.2 10, Pr0.7120 ,/60L d 公式适用条件： 中等温差 50 2030 10 t t t 气体： 水： 油： 0.8 0.023RePr m fff Nu 紊流换热： 迪特斯波尔特公式 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 0.14 0.81/3 f fff w

17、0.027RePrNu 4 ff Re10, Pr0.716700 ,/60L d 0.14 1/3 f fff w 1.86 Re Pr d Nu L Re2300,Pr0.6, RePr10 ffff d L 对于流体与管壁温度相差较大，流体物性场不均匀 性影响较大的情况，可采用席德-塔特于1936年提出的 公式： 适用条件： 层流换热： 适用条件： 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 （2）外掠掠平壁流动时的换热 10-4 对流换热的实验研究方法 纵掠平壁 Fundamentals of therma

18、l engineering 热工基础热工基础 10-4 对流换热的实验研究方法 外掠平外掠平壁层流壁层流对流换热：对流换热： 1 21 3 1 21/3 5 0.332RePr 0.664RePr 0.6Pr50,Re5 10 2 x xmxmm m mlmm m m w m h x Nu hl Nu tt t 适用范围： Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 10-4 对流换热的实验研究方法 外掠平壁外掠平壁湍流湍流对流换热：对流换热： 4 51 3 4 51/3 5 0.0296RePr 0.037RePr 0.6Pr60,Re5 10

19、2 x xmxmm m mlmm m m w m h x Nu hl Nu tt t 适用范围： Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 （3）横掠单管横掠单管 10-4 对流换热的实验研究方法 流动具有边界层特征，还会产生绕流脱体流动具有边界层特征，还会产生绕流脱体, ,从从 而产生回流、漩流和涡束。而产生回流、漩流和涡束。 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 10-4 对流换热的实验研究方法 横掠单管绕流的特点：横掠单管绕流的特点： 0, 0 x u x p 0, 0 x u x p 前

20、半圆周：压力减 小速度增加 后半圆周：压力 增加速度减小 逆压梯度是造成流动分离的直接原因！逆压梯度是造成流动分离的直接原因！ 压力 减小 压力 增加 du Re Re101.5105：层流，脱体角：层流，脱体角 8085 Re1.5105：湍流，脱体角：湍流，脱体角 140 Re10：不会产生脱体。：不会产生脱体。 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 低低 Re 数（层流）时，换数（层流）时，换 热点回升是由于绕流脱热点回升是由于绕流脱 体产生的扰动强化了换体产生的扰动强化了换 热热 高高 Re 数（湍流）时，换数（湍流）时，换 热点第一

21、次回升是由于转热点第一次回升是由于转 变成湍流，第二次回升是变成湍流，第二次回升是 由于脱体扰动由于脱体扰动 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 对气体和液体都适用； )( 2 1 ttt wm o （1）定性温度 （2）特征长度：管外径 d （3）特征速度：来流速度 1/3 Re Pr n Nuc 10-4 对流换热的实验研究方法 准则方程：准则方程： Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 （4）管束 管束排列方式：顺排和叉排 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal engineering 热工基础热工基础 ,max Ren mm Nuc 34 ,max 10,Re2 104 10 m N 1 3 ,max 1.13 RePr n mmm Nuc 34 ,max 10,Re2 104 10 ,Pr0.7 mm N () 2 mwf ttt 格里姆森方程：对于空气和烟气 适用范围： 对于其它流体： 适用范围： 定性温度为 当N 10时，引入修正z 10-4 对流换热的实验研究方法 Fundamentals of thermal eng