传热学第六章实用教案

1、第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热一、管槽内强迫(qing p)对流传热（P88-92） 这种对流传热是工业换热设备中最常见的方式，几乎这种对流传热是工业换热设备中最常见的方式，几乎(jh)所有的换热设备中都有管道，通常是圆形截面的，所有的换热设备中都有管道，通常是圆形截面的，也有非圆形截面的（统称槽道），流体在管槽内流动并与也有非圆形截面的（统称槽道），流体在管槽内流动并与壁面换热。壁面换热。1 1、概述（P P88-9088-90）例如：各种管式换热器、内燃机缸套冷却、锅炉的过 热器和省煤器、机油冷却器等。第1页/共103页第一页，共104页。（1 1）流动和传热(chun r)(c

2、hun r)特征【如图6-2a6-2a）、b b）所示】（P89P89）当流体流进圆管时，流动边界层和热边界层的厚度都有一个 从零开始不断增厚直至汇合(huh)(huh)于管子中心线的发展过程。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热管内对流传热由入口段+ +定型段组成：从进口到边界层汇合于中心线之间的区域，称为入口段，边界层汇合于中心线后的区域，称为充分发展段或定型段， 此时，速度分布、传热强度都将沿轴向不断变化；此时流动与传热已充分发展，速度分布、传热强度将保持不变第2页/共103页第二页，共104页。图6-2 管内强迫对流传热的流动和传热强度示意图a）层流(cn li)；b）湍流第一节

3、单相流体(lit)的强迫对流传热第3页/共103页第三页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热在入口段，由于边界层较薄，总体而言，局部对流 传热系数hxhx比充分发展段高，且沿着(yn zhe)(yn zhe)主流方向随边 界层增厚而逐渐降低。若边界(binji)(binji)层中出现湍流，则湍流的扰动与混合作用又 会使局部对流传热系数hxhx有所提高，再随湍流边界(binji)(binji) 层增厚而稍减，最后逐渐趋向于充分发展段的定值第4页/共103页第四页，共104页。边界层发展(fzhn)过程（b b）定型段：速度(sd)(sd)分布、传热强度hxhx沿轴向将保持不变

4、（a a）入口(r ku)(r ku)段：速度分布、传热强度hxhx沿轴向不断变化第一节 单相流体的强迫对流传热：0 01/21/2 d dt t：0 01/2 d1/2 d=1/21/2 d dt t=1/2 d=1/2 d第5页/共103页第五页，共104页。流态判据(pn j)：雷诺数RedvfRePAde4d：取圆管内径 di 或槽道当量直径ReRe104, 104, 湍流(tunli)(tunli)第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热ReRe 22002200，层流；22002200 ReRe10104 4，过渡流；：流体运动粘度，m2/s；vf：管槽截面平均流速，m/s；

5、第6页/共103页第六页，共104页。（2 2） 两种典型(dinxng)(dinxng)的热边界条件（P89-90P89-90）第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热 管槽内强迫对流传(lichun)热的边界条件通常有恒热流和恒壁温两种典型情形，图6-3示意性地给出了在这两种热边界条件下沿主流方向流体截面平均温度tf(x)及管壁温度tw（x）的变化情况。湍流时，由于各微团之间的剧烈混合，除液态金属外， 两种热边界条件对对流传热系数的影响可以不计。但对层流及低PrPr数介质的情况， 两种热边界条件下的差别是不容忽视的。第7页/共103页第七页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强

6、迫对流传热图6-3 两种典型热边界条件下流体(lit)温度和壁面温度沿主流方向的变化第8页/共103页第八页，共104页。 由图6-3a)可以看出，恒热流时，忽略入口段的影响，流体温度tf(x)和壁面温度tw(x)沿程线性变化，传热温差基本不变，因此，当定型(dng xng)段足够长时，可取定型(dng xng)段的温差，即第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热由Newton冷却公式(gngsh)，管槽内单相流体强迫对流传热量为mthqmthA（t tm m为传热面A A上的平均温差） 恒热流：q qw w=c=ct tm m= =（t tw w - t - tf f）第9页/共103页第九

7、页，共104页。 由图6-3b)可以看出，恒壁温时，局部对流传热温差tx是不断变化的，一般(ybn)应取对数平均温差：第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热fwfwffmttttttt ln 如（tf-tf）不大或（tw-tf）与（tw-tf）相差(xin ch)不大时恒壁温时也可近似取算术平均温差： 2ffwfwmtttttt恒壁温：t tw w=c=c式中,tf 、tf分别为进、出口截面上流体的平均温度。第10页/共103页第十页，共104页。2 2、计算公式（P P90-9290-92）流体在管槽内流动时，流动状态(zhungti)不同，强迫对流传 热相差很大，因此有不同的计算公

8、式。湍流(tunli)时对流传热效果最好，工程上绝大多数换热设 备都工作在湍流(tunli)范围。湍流的特征(tzhng)数实验关联式应用很广泛，是学习的重点第一节 单相流体的强迫对流传热第11页/共103页第十一页，共104页。（1 1）湍流(tunli)(tunli)强迫对流传热（P90-91P90-91）式中，Ref=1041.2105，Prf=0.7120；特征温度:流体平均温度tf = 1/2（tf + tf）；特征尺寸:圆管内径(ni jn)di或槽道当量直径de=4A/P；特征流速:流体平均温度tf下流动截面的平均流速vf。RtlfffNu4 . 08 . 0PrRe023. 0

9、第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热l l：管长修正系数；t t：温差修正系数；R R：弯管效应修正系数。（详见后述）2 2、计算公式（P P90-9290-92）第12页/共103页第十二页，共104页。1,60ldl7 . 01,60lddll第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热l为考虑入口段对平均(pngjn)对流传热系数影响的入口效应修正系数，又称管长修正系数。（1 1）湍流(tunli)(tunli)强迫对流传热（P90-91P90-91）l l11第13页/共103页第十三页，共104页。t为考虑边界层内温度分布对平均(pngjn)对流传热系数影响的 温差修正系数。第

10、一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热在有传热的条件下，管槽截面上的温度不均匀，由此影响粘度等物性参数(cnsh)，所以截面上的速度分布不同于等温流动。如图6-4所示，曲线1为等温流动时的速度分布。由于液体的粘度随温度升高而降低，因此，液体被冷却时，近壁处的粘度较管心处为高，速度分布低于等温曲线，如图中曲线2所示；而液体被加热时，近壁处的粘度较管心处为低，速度分布高于等温曲线，如图中曲线3所示。（1 1）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第14页/共103页第十四页，共104页。t为温差(wnch)修正系数：第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热近壁处流速增大会强化传

11、热， 反之(fnzh)则会削弱传热， 这就说明了物性场不均匀将影响对流传热强度。气体的粘度随温度升高而提高 因此情形与液体正好相反。（1 1）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91） 图6-4 管内速度分布 1-等温流动； 2-冷却液体或加热气体； 3-加热液体或冷却气体第15页/共103页第十五页，共104页。tt为温差(wnch)(wnch)修正系数：温度场不均匀(jnyn)粘度(zhn d)场不均匀速度场改变影响h h值第一节 单相流体的强迫对流传热 图6-4 管内速度分布 1-等温流动； 2-冷却液体或加热气体； 3-加热液体或冷却气体（1 1）湍流强迫对流传热（P P90-91

12、90-91）第16页/共103页第十六页，共104页。液体(yt)：气体(qt)：11. 0wft25. 0wft加热冷却55. 0wftTT1t加热冷却第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热综上所述，不均匀物性场对对流传热的影响，视液体还是气体、加热还是冷却以及温差大小而异，温差修正系数t 一般可按下式计算：t t为温差修正系数：（1 1）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第17页/共103页第十七页，共104页。R为考虑管道弯曲对平均对流(duli)传热系数影响的弯管效应修正系数。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热 如图6-5所示，流体(lit)流过弯曲管道或螺旋

13、管时，由于离心力的作用，会引起二次环流而强化传热。 图6-5 弯曲管道中的二次环流（1 1）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第18页/共103页第十八页，共104页。RdR77. 1133 .101RdR液体(yt)：气体(qt)：弯管修正系数R通常(tngchng)可按下式计算：第一节 单相流体的强迫对流传热特别地，对于蛇形管，直管段较短时必须考虑弯曲段的影响；而直管段较长时（如锅炉过热器、省煤器的管子以及化工厂蛇形管换热器中的管子等），弯曲管段对整个管子平均对流传热系数的影响不大，可近似取R R=1=1。式中，R为弯管的弯曲半径R R11第19页/共103页第十九页，共104

14、页。第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热 特征数方程实质(shzh)上表示了各因素对传热强度的影响程度，湍流强迫对流传热系数计算公式展开可得：Rtlffpffffdcdvh4 . 08 . 0023. 0（1 1）湍流(tunli)(tunli)强迫对流传热（P90-91P90-91）Rtlffffpfdvc2 . 04 . 08 . 08 . 06 . 04 . 0023. 0第20页/共103页第二十页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热 h与流速(li s)的0.8次幂成正比而与管径的0.2次幂成反比，但必须注意，这些措施都会同时增加流体的流动阻力， 尤其(y

15、uq)是流速增加时阻力的增大将以流速的平方倍数增大。 由上式可见，当流体种类确定后，设计中能改变的只有流速和管径。（1 1）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91） 因此，提高流速和减小管径都是强化传热的有效措施。第21页/共103页第二十一页，共104页。（2 2）层流(cn li)(cn li)强迫对流传热（P92P92）的影响。考虑温度场对的影响，用考虑入口效应对来。式中用，上式适用范围为：hhllwfffff14. 03/1d10dPrRe6 . 0Pr2200Re第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热层流时入口(r ku)段长度由下式确定：PrRe05. 0dl2 2、

16、计算公式（P P90-9290-92）14. 03/1PrRe86. 1wffffldNu第22页/共103页第二十二页，共104页。特点(tdin)：换热设备中，管槽内层流(cn li)强迫对流传热常常处于入口段范围当管槽内层流强迫对流传热进入充分发展段后，对于常物性流体，Nu数与Re数无关(wgun)而保持不变，h也保持不变。第一节 单相流体的强迫对流传热热边界条件影响显著，一般恒热流时的传热强度大于恒壁温如对圆管内层流充分发展段： 恒热流时Nu=4.36，而恒壁温时Nu=3.66。截面形状不同的管道，即使当量直径相同，充分发展段的Nu数也不一样。（2 2）层流强迫对流传热（P P9292

17、）第23页/共103页第二十三页，共104页。(3)(3)过渡(gud)(gud)区强迫对流传热（P92P92）从换热设备的稳定性考虑，工程(gngchng)上也往往避免设计在这一区域14.03/23/13/21Pr125Re116.0wffffldNu接近。其计算值与试验结果很的范围内，体特别适用，尤其在影响。上式对于粘性流的考虑温度场对的影响，而用于考虑入口段对式中，6000Re2200d114. 03/2fwfhhl第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热与层流和湍流相比，过渡区中传热计算公式满意的不多。2 2、计算公式（P P90-9290-92）第24页/共103页第二十四页，

18、共104页。例6-1 6-1 某换热器中，冷却水以2m/s2m/s的速度流过内径(ni jn)(ni jn)为20mm20mm的长铜管，进、出口温度分别为2020和6060。设铜管内壁的平均温度为9090，试计算冷却水侧的对流传热系数及单位管长的传热量。，90602020/2 wffiftttmmdsmv解：第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热选取特征温度(wnd)，查取有关物性参数值。sPasPasmKWttttwffffwfff 66262109 .314103 .65331. 4Pr/10659. 0m/105 .63904060202121，由附录查得：，壁温本题特征温度 由题意，

19、第25页/共103页第二十五页，共104页。流动为旺盛湍流。RtlfffNu4 . 08 . 0PrRe023. 0选取，446101007. 610659. 0020. 02Refiffdv 计算雷诺数ReRe，判定(pndng)(pndng)流动状态。 选取公式，计算(j sun)Nu(j sun)Nu数，进一步计算(j sun)(j sun)平均对流传热系数h h。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热KmWNudhNufiffwftRl211. 0664 . 08 . 0411. 0/952187.299020. 0635. 087.299109 .314103 .65331. 41

20、007. 6023. 0, 1, 1因此，KmWNudhNufiffwftRl211. 0664 . 08 . 0411. 0/952187.299020. 0635. 087.299109 .314103 .65331. 41007. 6023. 0, 1, 1因此，由题意，KmWNudhNufiffwftRl211. 0664 . 08 . 0411. 0/952187.299020. 0635. 087.299109 .314103 .65331. 41007. 6023. 0, 1, 1因此，由题意，第26页/共103页第二十六页，共104页。21.4760902090ln2060ln

21、 fwfwffmtttttttmWtdhmil/1082. 221.47020. 095214mWtdhtttmilfwm/1099. 250020. 095215040904，计算对流传(lichun)(lichun)热量或q q。单位(dnwi)管长传热量为第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热讨论：本题给出了计算强迫对流传热的一般步骤。另外，本题亦可近似采用算术平均温差计算单位管长的传热量：mWtdhtttmilfwm/1099. 250020. 095215040904，可见与上述采用对数平均温差的计算结果相差不大。第27页/共103页第二十七页，共104页。例6-2 流量为1

22、20kg/h的润滑油通过壁温恒定为20、内径为13mm的管道(gundo)，油温从100被冷却到60 ，试计算对流传热系数h和所需管长l。，mmdthkgqiwm1390/120，壁温2080601002121 wffftttt解：第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热特征(tzhng)温度，则sPafff03195. 002.852105 .376，由附录查得：3/02.852m/138. 0mkgKWffsPawww7994. 02 .888109006则，60100 fftt，490Pr f，smf/105 .3726，又smmkgsPawww/10900/2 .888109 .314

23、2636第28页/共103页第二十八页，共104页。smdqvfimf/295. 002.852013. 043600/120422，流动为层流。22003 .102105 .37013. 0295. 0Re6fiffdv，选用公式，即假定10PrReldiff计算(j sun)雷诺数Re:第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热试算: :14. 03/1PrRe86. 1wfifffldNu第29页/共103页第二十九页，共104页。7 .57206020100ln60100ln wfwfffmttttttt14. 03/17994. 003195. 0013. 04903 .1028

24、6. 1138. 0013. 0lh平均传热(chun r)温差又由热平衡得ffpfmmittcqtldh 第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热代入已知数据(shj)整理得1 .1093/1hl(a)(a)第30页/共103页第三十页，共104页。60100213136001207 .57013. 0lh代入已知数据(shj)mlkmWhba76.36/8 .32)(),(2，得：联立求解式7 .1205hl整理(zhngl)得(b)(b)第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热校核:，以上计算有效。107 .1776.36013. 04903 .102PrReldiff法。湍流时，

25、未知，因此采用了试算讨论：本题管长l，再用热平衡式求出管长l，一般试算一次即可。，则计算hhll核。试算法最后必须进行校后，求出可先令hl1第31页/共103页第三十一页，共104页。管内强迫(qing p)对流传热计算在以下几种情况下一般也采用试算法：流体出口温度t”f未知。可先假设t”f值，按对流传热的求解步 骤进行计算，再用热平衡式求出t”f ，最后进行迭代计算，直 到满足热平衡偏差为止(wizh)，一般取计算值与假设值偏差小于5%管内壁温度(wnd)tw未知。此时可先令t=1，求出h，再用热平衡式 求出tw,计算t，则h=th，一般只需试算一次。第一节 单相流体的强迫对流传热讨论：流体

26、速度v vf f未知。先假设流速vf，根据Re数选择计算公式，再 由热平衡式求出v”f,最后根据vf与v”f的偏差要求进行校正。管径d di i未知。可先设一流速di，处理方法与流速或管长未知 的情形类似。第32页/共103页第三十二页，共104页。二、外掠物体强迫(qing p)对流传热（P94-99） 空气纵掠机翼，风吹过地面或热力管道，锅炉烟气横掠过热器管束，各种壳管式换热器壳侧流体横掠管束等的对流传热，都属于流体外掠物体(wt)时的强迫对流传热。第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热下面将分别讨论纵掠平壁、横掠单管和横掠管束时的对流传热。第33页/共103页第三十三页，共104

27、页。1 1、纵掠平壁（P P94-9594-95）第五章第二节已详细介绍了流体纵掠等温平壁时， 流动(lidng)边界层和热边界层的形成及发展。第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热由于这种对流传热现象比较简单， 层流对流传热系数计算公式可由数学分析法求得； 湍流(tunli)对流传热系数计算公式可由比拟法求得。实践证实，这些计算公式比较正确，可用于工程计算。二、外掠物体强迫对流传热（P94-99）第34页/共103页第三十四页，共104页。3/12/1PrRe332. 0mxmmxxmxhNu（1 1）层流(cn li)(cn li)强迫对流传热式中： ,50Pr6 . 0105Re

28、2115mmwmvlttt，特征速度：主流流速；特征尺寸：平壁长度、特征温度为第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热3/12/1PrRe664. 0mlmmlmhlNu；特征温度为tttwm21特征尺寸分别为x和平壁长度l；特征速度(sd)为主流流速v。 1 1、纵掠平壁（P P94-9594-95）第35页/共103页第三十五页，共104页。3/15/4PrRe0296. 0mxmmxxmxhNu（2 2）湍流强迫(qing p)(qing p)对流传热（从x=0 x=0处即形成湍流边界层, ,较少）式中： 60Pr6 . 0105Re2115mmwmvlttt，特征速度：主流流速；特征尺

29、寸：平壁长度、特征温度为第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热3/15/4PrRe037. 0mlmmlmhlNu特征尺寸(ch cun)分别为x和平壁长度l；特征速度为主流流速v。 1 1、纵掠平壁（P P94-9594-95）第36页/共103页第三十六页，共104页。3/18 . 0Pr871Re037. 0mlmlmNu（3 3）层流+ +湍流强迫(qing p)(qing p)对流传热式中：第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热5105Re1lmmvlt；特征速度：；特征尺寸：、特征温度，特征(tzhng)温度为tm；特征(tzhng)尺寸为平壁长度l。 当lxc时，流体纵

30、掠等温平壁的边界层由层流段（x xx xc c）和湍流段（x xx xc c）组成，常称复合（或混合）边界层。 此时，计算整个壁面的平均对流传热系数h h的特征数关联式为1 1、纵掠平壁（P P94-9594-95）第37页/共103页第三十七页，共104页。2 2、横掠单管（P P95-9695-96）所谓横掠单管，就是流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流体横掠单根圆管或柱体时，由于会发生(fshng)绕流脱体 现象,因此其流动和传热情况比较复杂。（1 1）流动(lidng)(lidng)和传热特征以圆管为例，流体横掠单管时，管面迎向来流最前面(qin mian)的点称为前滞止点或前

31、驻点，最后面的点称为后滞止点或后驻点，对于理想流体，该两驻点处的流速均应为零。第一节 单相流体的强迫对流传热从前驻点开始，流体对称地分为上、下两股绕流管面，在紧贴管壁处也形成边界层，并不断发展，但各截面上边界层外缘的流速数值不同，如图6-66-6所示。第38页/共103页第三十八页，共104页。沿着流动方向流体(lit)速度渐增而压力渐减；截面(jimin)处，速度最大，压力最小；沿着流动方向流体(lit)速度渐减而压力渐增。1809090900第一节 单相流体的强迫对流传热来流的速度和压力分别为v0和p0 ，在边界层外，按速度和压力的变化可分为两个区域：图6-6 流体横掠单管的流动情形2 2

32、、横掠单管（P P95-9695-96）（1 1）流动和传热特征第39页/共103页第三十九页，共104页。 边界层外的流体可近似作为不存在粘性的理想流体，速度(sd)与压力以2点截面为对称；而在极薄的边界层内，流体由于粘性阻力而动能有额外损失，全部耗尽后流体会出现停滞和回流现象。第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热贴壁流体的速度(sd)梯度 的点3，称为分离点。00yyv图6-6 流体横掠单管的流动情形从分离点截面开始，流体形成向内的旋涡，不再贴着壁面流动，故称脱体。注意：脱体后的旋涡区已无法采用边界层理论进行分析。2 2、横掠单管（P P95-9695-96）（1 1）流动和传热

33、特征第40页/共103页第四十页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热对于(duy)一定的流体，分离点的位置主要取决于边界层中流体的动量，也就是说分离点的位置主要取决于象征惯性力与粘性力之比的Re数的大小。对于(duy)(duy)圆管：Re10Re10时，没有脱体现象；Re=10Re=101.51.510105 5时，脱体前边界层为层流， 脱体发生在=80=808585Re1.5Re1.510105 5时，脱体前边界层已过渡为湍流， 脱体点后移至140140处2 2、横掠单管（P P95-9695-96）（1 1）流动和传热特征第41页/共103页第四十一页，共104页。流体(

34、lit)横掠圆管时，其局部努塞尔数Nu随角和Re数的变化规律如图6-7所示： 低ReRe数时：（a a）从前驻点开始，由于(yuy)(yuy)层流边界层不 断增厚，NuNu随增加而减小；（b b）在=80=808585，NuNu达到(d do)(d do)最小值；（c c）随后，由于脱体区的扰动强化了传 热，Nu有所回升。第一节 单相流体的强迫对流传热图6-7 Nu沿周界的变化（1 1）流动和传热特征（恒热流）2 2、横掠单管（P P95-9695-96）第42页/共103页第四十二页，共104页。（b b）随后(suhu)(suhu)，由于湍流的发展，NuNu急升， 达旺盛湍流时，NuNu达

35、到最大值；（c c）待湍流稳定后，由于湍流边界层不断 增厚，NuNu又开始下降(xijing)(xijing)，在=140=140， Nu Nu出现第二个最小值；（d d）过分离点（140140）后，由于脱体区 的扰动(rodng)(rodng)强化了传热，NuNu再次回升。（a a）边界层由层流发展为湍流，在转变 的过渡区,Nu出现第一个最小值；第一节 单相流体的强迫对流传热高ReRe数时：（1 1）流动和传热特征（恒热流）图6-7 Nu沿周界的变化2 2、横掠单管（P P95-9695-96）第43页/共103页第四十三页，共104页。此外(cwi)，从图中还可发现：（a a）低Re数时，

36、Nu0 Nu180；（b b）高Re数时，Nu0 Nu180；第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热（1 1）流动和传热(chun r)(chun r)特征（恒热流）图6-7 Nu沿周界的变化2 2、横掠单管（P P95-9695-96）第44页/共103页第四十四页，共104页。（2 2）计算公式 特征温度为tm，特征尺寸(ch cun)为外径do，特征流速为来流速度v0 ； C和n的选取(xunq)参见P96表6-1；修正(xizhng)系数为考虑冲刷角度的修正(xizhng)系数，参见P97表6-2：=90时， =1； 90时， 1；特别地，当=0=0时，流体纵掠圆管，此时，只要

37、圆管外径比边界层厚度大得多，如满足d do o1010，就可近似采用纵掠平壁计算公式，特征尺寸取管长 l，平壁宽取do。式中：3/1PrRemnmmomChdNu第一节 单相流体的强迫对流传热工程计算中常用的横掠单管强迫对流平均对流传热系数特征数实验关联式为2 2、横掠单管（P P95-9695-96）第45页/共103页第四十五页，共104页。3 3、横掠管束(gunsh)(gunsh)（P97-P97-9999）（1 1）流动和传热(chun (chun r)r)特征 流体横掠管束(gunsh)时的对流传热远比横掠单管时复杂，除横掠单管的影响因素外，管间距、管排数和管束(gunsh)排列方

38、式等几何因素都影响流动和传热。 流体横掠管束对流传热在换热器及锅炉、暖风器等专用换热设备中最为常见。第一节 单相流体的强迫对流传热 第46页/共103页第四十六页，共104页。管排数：从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。 在尾流旋涡的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高, 即h2h1,h3h2,h4h3,。但经过几排管子以后扰动基本稳 定，hz几乎(jh)不再变化。（1 1）流动和传热(chun (chun r)r)特征第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热管间距：由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交替 地减少和增加，流体在管间交替地加速和减速。管距的大小 影响流体流

39、动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。3 3、横掠管束（P P97-9997-99）第47页/共103页第四十七页，共104页。管束排列方式：管束排列方式对h h的影响比较(bjio)(bjio)明显。通常管束排列方式有顺排和叉排两种，如图6-86-8所示。（1 1）流动和传热(chun r)(chun r)特征第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热流体流过管束第一排时，顺排和叉排都是“前受冲击、后受扰 动”；但从第二排开始，流动情况就有所不同，对于顺排，管 子直接位于前排管子的尾流中，管子前后都是涡流区，没有 直接受到冲击，传热强度不大，而对于叉排，各排的=0 处都受到冲击，可见流体受到

40、的扰动叉排比顺排剧烈。因 此，一般说来，在同样的入口流速下，叉排时的传热比顺排 时强，叉排管束的平均对流传热系数要比顺排管束大。 工程中，大部分热交换器采用叉排。3 3、横掠管束（P P97-9997-99）第48页/共103页第四十八页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热图6-8 流体横掠圆管管束(gunsh)时的流动情况 a)顺排；b)叉排第49页/共103页第四十九页，共104页。管束排列(pili)方式：（1 1）流动(lidng)(lidng)和传热特征第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热但当ReRe数很高时，顺排管束沿管周不是湍流边界层就是强烈 的旋涡区，所以

41、顺排平均对流传热系数有可能超过叉排，且 这种趋势在管间距较大时更为明显。 因此，叉排、顺排的选择必须全面权衡才行。3 3、横掠管束（P P97-9997-99）还有，叉排管束的阻力损失大于顺排。另外，顺排管束易于清洗。第50页/共103页第五十页，共104页。zpkwfmfnffssCNu21PrPrPrRe（2 2）计算公式第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热式中：Prf = 0.7500。 特征尺寸为圆管外径do； Prw以壁温tw为定性温度，其余(qy)定性温度均为流体平均温度tf； 特征流速为管间最窄流通截面处流体的最大平均流速vf,max， 其计算比较麻烦，参见图6-8：3

42、 3、横掠管束(gunsh)(gunsh)（P97-99P97-99）第51页/共103页第五十一页，共104页。第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热图6-8 流体(lit)横掠圆管管束时的流动情况 a)顺排；b)叉排第52页/共103页第五十二页，共104页。（2 2）计算公式第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热已知未进入管束时的流体速度v0，则最大平均(pngjn)流速vf,max为：顺排时ofdssvv110max,ofooofoodssvvdsdsdssvvdsds210max,12110max,12222，若，若 0210max,01020110max,0102222d

43、ssvvdsdsdssvvdsdsff，若，若叉排时222122sss式中斜向间距3 3、横掠管束(gunsh)(gunsh)（P97-99P97-99）第53页/共103页第五十三页，共104页。 系数C和指数(zhsh)n、m、k、p的选取见P98表6-3。z为管排修正(xizhng)系数，见P98表6-4，当管排数Z16时，z=1。特别地，当=0时，流体在管间纵掠管束，此时可采用管内强迫(qing p)对流传热公式计算，特征尺寸取当量直径de，对于顺排和叉排，de值相同：（2 2）计算公式第一节 单相流体的强迫对流传热修正系数为考虑冲刷角度的修正系数，参见P99表6-5，当=8090时，

44、 可取=1。ooooeddssddssPAd2122144/443 3、横掠管束（P P97-9997-99）第54页/共103页第五十四页，共104页。 工程技术中，为强化流体横掠管束时的对流传热，往往(wngwng)采用肋片管，且管子外形也不一定是圆的，例如可以是扁圆形、椭圆形等。说明(shumng)：第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热 显然，流体横掠带肋管束对流传热系数的计算，要比流体横掠圆管管束对流传热系数的计算复杂得多。3 3、横掠管束（P P97-9997-99）第55页/共103页第五十五页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热例6-3 6-3 在速度

45、v0=5m/sv0=5m/s、温度为2020的空气流中，沿流动方向平行地放有一块长为20cm20cm、温度为6060的平板。如用垂直流动方向放置的半周长为20cm20cm的圆柱代替平板，问此时(c sh)(c sh)的表面对流传热系数为平板的几倍（其他条件不变）。解： 特征(tzhng)温度tm4020602121ttw空气的物性值为：m=2.7610-2W/(mK) ,Prm=0.699，m=16.9610-6m2/s，据此由附录查得（1 1）纵掠平壁：v0=5m/s，l=20cm=0.20m5601053 .589621096.1620. 05Remlml，流动为层流。第56页/共103页

46、第五十六页，共104页。第一节 单相(dn xin)流体的强迫对流传热选用(xunyng)公式：3121PrRe664. 0mlmlmNu3121669. 03 .58962664. 0=143.09=143.09746.1909.14320. 01076. 22lmmNulh W/(mW/(m2 2K)K)（2 2）横掠单管：v v0 0=5m/s=5m/s， cm2021odm40. 0od，5 .375361096.1640. 05Re60momdv，40004000ReRem m4000040000， 第57页/共103页第五十七页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热

47、选用(xunyng)公式，并由表6-1查得：C=0.193，n=0.618，则) 1(PrRe193. 0PrRe31618. 031mmnmmCNu31618. 0669. 05 .37536193. 0=115.01=115.01931.2401.11540. 01076. 22momNudh W/(mW/(m2 2K)K)（3 3）比较(bjio)(bjio)：263. 1746.19931.24纵掠平壁横掠单管hh第58页/共103页第五十八页，共104页。第一节 单相流体(lit)的强迫对流传热例6-4 6-4 水横向掠过5 5排叉排管束，最窄截面处流速(li s)(li s)为4.

48、87m/s4.87m/s，流体平均温度为2020，管子壁温为2525。已知管子外径do=19mmdo=19mm，管间距 ，试求管束与水之间的平均对流传热系数。25. 121oodsds解：由题意(t y)(t y)，vfvf，max=4.87m/smax=4.87m/s，特征温度tf=20tf=20，壁温tw=25tw=25由附录查得水的物性值为：f=0.599W/f=0.599W/（mKmK），Prf=7.02Prf=7.02，Prw=6.22 Prw=6.22 ，f=1.006f=1.00610-6m2/s10-6m2/s，9197810006. 1019. 087. 4Re6max,fo

49、ffdv53102Re10f第59页/共103页第五十九页，共104页。第一节 单相流体的强迫(qing p)对流传热zpkwfmfnffssCNu21PrPrPrRe) 1(923. 022. 602. 702. 79197835. 025. 036. 060. 070.63841001. 270.638019. 0599. 0fofNudh选用公式(gngsh)，并由表6-3查得系数和指数为：C=0.35，n=0.60，m=0.36，k=0.25，p=0.2，由表6-4查得：z=0.923W/(mW/(m2 2K)K)第60页/共103页第六十页，共104页。 第二节 自然(zrn)对流传

50、热一、基本概念（P100）不依靠泵或风机等外力推动，而由流体自身温度场的不均匀 所引起的流动(lidng)称为自然对流;如: :热力管道和输电线路在无风情况下的散热、暖气片的散热、电器元件的自然冷却以及太阳能集热器空气夹层中的传热(chun r)(chun r)等都是自然对流传热(chun r)(chun r)的应用实例。不均匀温度场造成不均匀密度场所产生的浮升力（或沉降力） 是流体运动的动力;这种流体在浮升力作用下的对流传热就称为自然对流传热。1 1、定义：第61页/共103页第六十一页，共104页。传热面上边界层的形成和发展(fzhn)不受周围物体干扰的自然对流 传热称为大空间自然对流传热

51、，否则称有限空间自然对流传热 第二节 自然(zrn)对流传热2 2、分类(fn li)(fn li)：自然对流传热分为大空间自然对流传热和有限空间自然对流 传热。注意：大空间和有限空间是相对而言的，几何意义上的有限空间 只要边界层的形成和发展不受限制，仍称为大空间。许多实际问题都可以作为大空间自然对流传热来分析计算。 本节重点讨论大空间自然对流传热一、基本概念（P100）第62页/共103页第六十二页，共104页。二、大空间(kngjin)自然对流传热（P100-102）1 1、流动和传热(chun (chun r)r)特征 第二节 自然(zrn)对流传热以温度为t t的静止流体被高温竖壁（t

52、 tw wt t）加热为例：自然对流传热时，近壁处也形成流动边界层。由于速度是因温度不均匀而产生， 因此边界层中的速度分布依赖于温度分布。自然对流传热时：竖壁附近的温度分布与速度分布如图6-96-9所示；边界层的形成和发展及hx的变化如图6-106-10所示。第63页/共103页第六十三页，共104页。1 1、流动(lidng)(lidng)和传热特征 第二节 自然(zrn)对流传热图6-9 自然对流传(lichun)热时竖壁附近的温度分布与速度分布（twt）二、大空间自然对流传热（P100-102）第64页/共103页第六十四页，共104页。1 1、流动(lidng)(lidng)和传热特征

53、 第二节 自然(zrn)对流传热在贴壁处，流体温度(wnd)等于壁面温度(wnd)tw，在离开壁面的方向上 逐步降低，直至周围环境温度(wnd)t。（1 1）竖壁附近的温度分布与速度分布（见图6-96-9）边界层中的速度分布则呈现“两头小，中间大”的特点：在贴壁处，由于粘性作用流体速度为零;在边界层外缘处，由于温度不均匀性消失，流体速度也为零;在边界层的中间偏近热壁面的某处，流体速度有一最大值。二、大空间自然对流传热（P100-102）第65页/共103页第六十五页，共104页。 自然对流亦有层流与湍流之分。在边界层中，流体质点所受的力，主要是浮升力和粘性力，惯性力相对(xingdu)较小，其

54、影响甚至可以忽略。1 1、流动(lidng)(lidng)和传热特征 第二节 自然(zrn)对流传热图6-10 竖壁自然对流传热时边界层的形成和发展及hx的变化（1 1）边界层的形成和发展及h hx x的变化 （见图6-106-10）（P P101101）二、大空间自然对流传热第66页/共103页第六十六页，共104页。1 1、流动(lidng)(lidng)和传热特征 第二节 自然(zrn)对流传热边界层的形成(xngchng)和发展（1 1）边界层的形成和发展及h hx x的变化（见图6-106-10）随着高度的增加，浮升效应逐渐增强，在竖壁上部，浮升力 的影响超过了粘性力，流动逐渐过渡为

55、湍流。在高温竖壁底部的起始段，近壁流体温度升高不大，浮升效 应较弱，粘性力起主导作用，流动呈层流状态。二、大空间自然对流传热（P100-102）第67页/共103页第六十七页，共104页。层流时，传热(chun r)热阻主要取决于边界层厚度，因此hx逐渐减小；此后，由于边界层由层流向湍流过渡，流体微团的掺混使得(sh de)热 阻减小，hx逐渐增加；转变成湍流(tunli)边界层后，hx基本上不再变化，几乎是个常量；1 1、流动和传热特征 第二节 自然对流传热自然对流传热流动状态的定量判据是格拉晓夫数GrGr; Gr数反映了流体浮升力与粘性力的相对大小； 情形不同，划分层流与湍流的Gr数值范围

56、不同。（1 1）边界层的形成和发展及h hx x的变化（见图6-106-10） h hx x的变化情况二、大空间自然对流传热（P100-102）第68页/共103页第六十八页，共104页。2 2、计算公式 第二节 自然(zrn)对流传热nmmmGrCNuPrtttwm2123mcvmltgGr式中：（1 1）特征(tzhng)(tzhng)温度为（2 2）smmlttttKTmcwvv/:1:21为流体的运动粘度，；为特征尺寸，；体，体胀系数，对于理想气（3 3）C C和n n由实验确定，几种典型(dinxng)(dinxng)情况下的数值列于P102P102表6-6 6-6 。二、大空间自然

57、对流传热（P100-102）第69页/共103页第六十九页，共104页。这一特征可用来指导实验：只要实验中保持湍流自然对流传 热，实验模型的尺寸(ch cun)可比已定特征数相等所要求的更小一些， 这样并不影响特征数实验关联式的准确性，由于模型尺寸(ch cun)变 小，整个设备变小，实验费用降低。 第二节 自然(zrn)对流传热3 3、自模化将表6-6的系数和指数代入计算公式时发现，湍流自然对流 传热系数h与特征尺寸lc无关(wgun)，这种现象称为自模化。二、大空间自然对流传热（P100-102）第70页/共103页第七十页，共104页。例6-5 6-5 室温为1010的大房间(fngji

58、n)(fngjin)中有一个外径为10cm10cm的烟筒，其竖直部分高1.5m1.5m，水平部分长15m15m。求烟筒的平均壁温为110110时，每小时的对流散热量。 第二节 自然(zrn)对流传热解：特征(tzhng)温度60101102121tttwm的物性值为：m=1.060kg/m3，cpm=1.005kJ/（kgK），m=0.029W/（mK），m=18.9710-6m2/s，Prm=0.696。，由附录查得空气（1 1）烟筒竖直部分的散热1026323m10763. 2273601097.185 . 11011081. 9GrmcVtlg101010923. 1696. 01076

59、3. 2PrmGr第71页/共103页第七十一页，共104页。 第二节 自然(zrn)对流传热由表6-6知为湍流(tunli)，C=0.10，n=1/3，代入计算公式31Pr10. 0mmmGrNu9 .26710923. 110. 03110所以(suy) 18. 55 . 1029. 09 .267HNuhmmW/W/（m m2 2K K）ttdHhw12441011018. 55 . 110. 0W W（2 2）烟筒水平部分的散热626323m10186. 8273601097.181 . 01011081. 9GrmcVtlg6610698. 5696. 010186. 8PrmGr第

60、72页/共103页第七十二页，共104页。 第二节 自然(zrn)对流传热由表6-6知为层流(cn li)，C=0.53，n=1/4，代入计算公式41Pr53. 0mmmGrNu9 .2510698. 553. 0416所以(suy) 51. 710. 0029. 09 .25dNuhmmW/W/（m m2 2K K） ttdlhw235391011051. 7151 . 0W W烟筒的总对流热流量=1+2=244+3539=3783W烟筒每小时的对流散热量为Q=37833600=1.36107J第73页/共103页第七十三页，共104页。 第二节 自然(zrn)对流传热由此可见：对这类表面温