第4章 对流换热-2

1、热工学热工学 1 1 强制对流换热及其实验关联式强制对流换热及其实验关联式 1.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点管槽内强制对流流动与换热的特点 内部流动过程中，一侧固体表面上的边界层在内部流动过程中，一侧固体表面上的边界层在 形成和发展过程中可能受到另一侧固体表面的形成和发展过程中可能受到另一侧固体表面的 限制，形成边界层干扰或汇合限制，形成边界层干扰或汇合 热工学热工学 2 2 流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇 合于通道中心合于通道中心 换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合 于通道中心，换热强度由最高而逐

2、渐减弱于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱 充分发展段充分发展段0 u x 0 x 热工学热工学 3 3 两种典型边界条件下，流体温度与壁面温度沿两种典型边界条件下，流体温度与壁面温度沿 主流方向的变化曲线主流方向的变化曲线 均匀热流密度均匀热流密度 / 均匀壁温均匀壁温 uniform heat flux / uniform wall temperature 热工学热工学 4 4 紊流（紊流（Turbulent flow） 热工学热工学 5 5 特征长度；截面平均速度；截面平均温度特征长度；截面平均速度；截面平均温度 d c m c A udA u A c c p f p A A c t u

3、dA t cudA 热工学热工学 6 6 2.2. 管内湍流换热计算管内湍流换热计算 迪图斯迪图斯-贝尔特（贝尔特（Dittus-Boelter）公式）公式 0.8 fff 0.023RePr n Nu 0.4,n 加热流体 0.3,n 冷却流体 三大特征量三大特征量 特征尺度：内径特征尺度：内径di 定性温度：定性温度：tf =(tin+tout)/2 特征流速特征流速 热工学热工学 7 7 适用范围适用范围 Ref =104 1.2105，旺盛湍流，旺盛湍流 Prf =0.7 120，包括空气、水、油，包括空气、水、油 l/d60，平均换热系数；如果是短管则需，平均换热系数；如果是短管则需

4、 修正修正 边界条件：给定温度或给定热流边界均可边界条件：给定温度或给定热流边界均可 适用于流体与壁面具有中等以下温差的场合适用于流体与壁面具有中等以下温差的场合 热工学热工学 8 8 t = tw - tf 气气50 水水2030 油油10 中等温差，非中等温差，非tin - tout 思考：思考： 不适用于液态金属：不适用于液态金属：Prf 10-3到到10-2的量级的量级 120 60 tw=50 air 热工学热工学 9 9 应用范围扩大应用范围扩大 短管短管l/d25%，偏差，偏差1，通常为油，通常为油 类类)，层流时换热整个管子都可能处于入，层流时换热整个管子都可能处于入 口段而未

5、进入充分发展段口段而未进入充分发展段 换热的热边界条件对换热影响显著换热的热边界条件对换热影响显著 层流充分发展段层流充分发展段Nu与与Re无关无关 Nu=3.66（恒壁温）；（恒壁温）；Nu=4.36（恒热流）（恒热流） 3.3. 管内层流（管内层流（laminar flow）强制对流换热计算）强制对流换热计算 层流换热特点层流换热特点( (Re10消失消失 冲刷方向有影响（冲角）冲刷方向有影响（冲角） 热工学热工学 2424 热工学热工学 2525 平均换热特性的实验关联式平均换热特性的实验关联式 f1 f,maxf w2 kp mn z Prs NuCRePr Prs 热工学热工学 26

6、26 注意：注意： tf、tw、d、umax C、m、n、k、p：表：表4-4（P.158） f1 f,maxf w2 kp mn z Prs NuCRePr Prs z 由由表表4-5查取（查取（P.159） 热工学热工学 2727 三、自然对流换及其热实验关联式三、自然对流换及其热实验关联式 工程背景工程背景 暖气管散热暖气管散热 冰箱冰箱( (冰箱里食物不要装得太满冰箱里食物不要装得太满) ) 室外变压器散热室外变压器散热 输电线的散热输电线的散热 电子器件冷却电子器件冷却 热工学热工学 2828 现象及特点现象及特点 定义：定义：不依靠不依靠外力推动，由流体外力推动，由流体自身温度场自

7、身温度场 不均匀不均匀所引起的流动所引起的流动 驱动力：温度场不均匀驱动力：温度场不均匀 密度的不均匀密度的不均匀 浮浮 升力升力 不均匀的温度场不一定引起自然对流不均匀的温度场不一定引起自然对流 与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动 换热很弱，但经济、安全、平静换热很弱，但经济、安全、平静 物体表面上总换热量常需同时考虑与周围气体间物体表面上总换热量常需同时考虑与周围气体间 的自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热的自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热 热工学热工学 2929 速度与温度分布的特点速度与温度分布的特点 Tw T 热工学热工学 30

8、30 层流层流 湍流湍流 判别流态的特征数是判别流态的特征数是Gr数数 （不是不是(GrPr)） 自然对流的两种流动状态自然对流的两种流动状态 分类分类 大空间（边界层不受干扰）大空间（边界层不受干扰） (infinite space) 有限空间（空间大小对换热效果有影响）有限空间（空间大小对换热效果有影响） (natural convection in enclosure) T Tw T y laminar turbulent x 热工学热工学 31 31 热工学热工学 3232 热工学热工学 3333 大空间自然对流换热实验关联式大空间自然对流换热实验关联式 说明说明 tm=(tw+t)/

9、2 Gr中中V：气体按理想气体处理：气体按理想气体处理V=1/Tm、液体、液体 查物性手册查物性手册 m m n NuC Gr Pr 特征长度：表面高度特征长度：表面高度H（竖平板及竖圆柱）、（竖平板及竖圆柱）、 外径外径d（横圆柱）（横圆柱）（表表4-6、P.162） 热工学热工学 3434 竖圆柱可以归为竖壁的条件：竖圆柱可以归为竖壁的条件： 一般一般: 1 4,laminar flow 1 3,turbulent flow n 14 H 35 Gr d H 热工学热工学 3535 有限空间自然对流换热实验关联式有限空间自然对流换热实验关联式 两种最简单而典型的有限空间自然对流两种最简单而

10、典型的有限空间自然对流 竖夹层（双层窗）竖夹层（双层窗） 水平夹层（太阳能集热器的空气夹层）水平夹层（太阳能集热器的空气夹层） Tw2 Tw1 q Tw1Tw2 H q 热工学热工学 3636 ,Gr 纯导热 向层流特征过渡的流动(环流) 层流特征流动湍流特征流动 2860 2430 Gr ，竖夹层 夹层换热为纯导热 ，水平夹层 热工学热工学 3737 三、对流换热问题举例三、对流换热问题举例 1. 在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值 最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的 同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝

11、对值的大同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大 小来判断表面传热系数小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗？的大小，你认为对吗？ 2. 请比较准则数请比较准则数Nu和和Bi的异同。的异同。 3. 对管内强制对流换热，为什么采用短管和弯对管内强制对流换热，为什么采用短管和弯 管可以强化流体的换热？管可以强化流体的换热？ 热工学热工学 3838 4. 其他条件相同时，对同一根管子进行横向冲其他条件相同时，对同一根管子进行横向冲 刷和纵向冲刷，哪一种情况下的表面传热系刷和纵向冲刷，哪一种情况下的表面传热系 数大，为什么？数大，为什么？ 5. 对有限空间的自然对流换热，有人经过计算对有限空间的自然对流换热，有人经过计算 得出其得出其Nu数为数为0.5。请利用所学知识判断这。请利用所学知识判断这 一结果的正确性。一结果的正确性。 6. 电影电影泰坦尼克号泰坦尼克号里，男主人公杰克在海里，男主人公杰克在海 水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而 幸存下来。试从传热学的观点解释之。幸存下来。试从传热学的观点解释之。 热工学热工学 3939 7. 在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值 最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的 同