对流换热第五章-4

1、第五章第五章 单相流体对流换热单相流体对流换热Single Phase Fluid Convective Heat Transfer 5-2 流体外掠平板和圆管的强迫对流换热流体外掠平板和圆管的强迫对流换热一、外掠平板一、外掠平板 有关层流的外掠平板对流换热关联式，可以由求有关层流的外掠平板对流换热关联式，可以由求解边界层方程的理论分析方法获得，其结果的精确解边界层方程的理论分析方法获得，其结果的精确程度，已被实验所证实程度，已被实验所证实 :constFor wTmmxmmxmxmxxuxhNuRe ;PrRe332. 0315 . 02)(fwmTTT定性温度：定性温度：506 . 0 m

2、Pr适用的参数范围：适用的参数范围：1、层流换热层流换热:5105Re:constFor wqmmxmmxmxmxxuxhNuRe ;PrRe453. 0315 . 0:constFor wTmmmmmmLuhLNuRe ;PrRe664. 0315 . 02)(fwmTTT定性温度：定性温度：506 . 0 mPr适用的参数范围：适用的参数范围：对于平均对于平均Nu, 只有整个平板表面都是层流时适用只有整个平板表面都是层流时适用lxdxhlh01:constFor wqmmmmmmLuhLNuRe ;PrRe906. 0315 . 02、湍流换热、湍流换热:5105Remmxmmxmxmxx

3、uxhNuRe ;PrRe0296. 0318 . 0若湍流边界层开始形成于平板前缘若湍流边界层开始形成于平板前缘:mmmmmmLuhLNuRe ;PrRe037. 0318 . 0318 . 0Pr)23546(Re037. 0mmmmhLNu)(10cxLcxxtxldxhdxhLh若平板前半部分为层流，后面为湍流：若平板前半部分为层流，后面为湍流：3、混合边界层混合边界层:二、外掠单管二、外掠单管1、流动特征、流动特征dxduudxdp与外掠平板相比，流动特征有何差别？与外掠平板相比，流动特征有何差别？流体绕流曲面，存在压力梯度，对粘性流体的流流体绕流曲面，存在压力梯度，对粘性流体的流动

4、有很大影响。动有很大影响。逆流时，依靠流体动能逆流时，依靠流体动能克服逆向压力，由于边克服逆向压力，由于边界层内速度低，界层内速度低，边界层边界层脱体或分离脱体或分离处脱体发生在：层流8580105 . 1Re5：无脱体处：紊流，脱体在10Re ;140105 . 1Re5边界层从前驻点开始边界层从前驻点开始形成，此时速度为形成，此时速度为0，压力最大压力最大绕圆管前半部，加速绕圆管前半部，加速流动；顺流流动；顺流绕圆管后半部，减速绕圆管后半部，减速流动；逆流流动；逆流层流：层流：2、换热特征、换热特征(1) 从前驻点开始，局部从前驻点开始，局部Nu下降下降（边界层增厚）（边界层增厚） (2)

5、 在在80度左右，度左右，Nu最小最小 (3) 在在80度以后，度以后，Nu增加增加 (边界层分离，旋涡的混边界层分离，旋涡的混合作用合作用)湍流：湍流：(1) 从前驻点开始，局部从前驻点开始，局部Nu下降下降（边界层增厚）（边界层增厚） (2) 在在80度左右，度左右，Nu最小最小 (3) 在在80-110度，度，Nu增加增加 (边界层转捩边界层转捩) (4) 在在110-140度，度，Nu又下降又下降 (湍流边界层发展湍流边界层发展) (5) 在在140度左右，度左右，Nu第二第二个极值个极值 (6) 在在140度后，度后，Nu又上升又上升-边界层分离边界层分离茹考思卡斯（茹考思卡斯（Zh

6、ukauskas）关联式：关联式：3、换热关联式、换热关联式适用范围：适用范围：25. 0PrPrPrRewfmfnffCNu36. 0 ,10Pr37. 0 ,10Prmmff5007 . 01016ffPrRe茹考思卡斯（茹考思卡斯（Zhukauskas）关联式：）关联式：25. 0PrPrPrRewfmfnffCNu36. 0 ,10Pr ;37. 0 ,10Prmmffn4、几个影响因素、几个影响因素Re、Pr、来流湍流度、冲击角、来流湍流度、冲击角 三、横掠管束三、横掠管束管壳式换热器中管壳式换热器中流体绕流管束流体绕流管束汽车发动机冷却水汽车发动机冷却水箱中空气绕流管束箱中空气绕流

7、管束空调器中流体在蒸空调器中流体在蒸发器或冷凝器中绕发器或冷凝器中绕流管束流管束1、流动和换热情况、流动和换热情况顺排、叉排顺排、叉排 叉排时，流体在管间交叉排时，流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流道替收缩和扩张的弯曲流道中流动，可以与流道截面中流动，可以与流道截面呈周期性缩扩的弯曲槽道呈周期性缩扩的弯曲槽道内的流动相比；内的流动相比； 顺排时，流体在管间交顺排时，流体在管间交替收缩和扩张的、相对比替收缩和扩张的、相对比较平直的流道中流动，可较平直的流道中流动，可与直槽道内的流动相比与直槽道内的流动相比 顺排时，后一排管处于顺排时，后一排管处于前一排的旋涡尾迹区之内前一排的旋涡尾迹区之内，后一排

8、的来流就是前排，后一排的来流就是前排的具有不均匀流速分布的的具有不均匀流速分布的旋涡流，当流速和纵向间旋涡流，当流速和纵向间距较小时，在两排管之间距较小时，在两排管之间可能会形成滞流区；可能会形成滞流区； 叉排时，后一排管恰好叉排时，后一排管恰好处于前排管中间，直接受处于前排管中间，直接受到收缩后的流体的冲刷，到收缩后的流体的冲刷，同时流体流过叉排时有较同时流体流过叉排时有较强的扰动，所以换热得到强的扰动，所以换热得到增强，但流动阻力也加剧增强，但流动阻力也加剧 后几排管子的表面传热系后几排管子的表面传热系数是第一排的数是第一排的1.31.7倍倍：层流310Re 后半周涡旋流前半周层流：;10

9、2105Re52：湍流5102Re2、表面传热系数的计算关联式、表面传热系数的计算关联式茹考思卡斯（茹考思卡斯（Zhukauskas）关联式：）关联式：NpwffnffSSCNu2125. 036. 0PrPrPrReN管排数影响的校正系数管排数影响的校正系数5006 . 010216ffPrRe适用范围适用范围：fwtt 、定性温度定性温度:特征长度特征长度: 管外径管外径DS1、S2分别管子横向、纵分别管子横向、纵向间距向间距茹考思卡斯（茹考思卡斯（Zhukauskas）关联式：）关联式：NpwffnffSSCNu2125. 036. 0PrPrPrRe顺排：顺排：特征速度特征速度：最小截

10、面处的最大流速：最小截面处的最大流速 11maxDssuuf D)-(sD)-(2(s;D)-2(sD)-(sD)-(2(s ;12211211maxsuDssuuff叉排：叉排：5-3 高速气流强迫对流换热高速气流强迫对流换热一、气动加热现象一、气动加热现象当高速气流流过固体表面时，虽然壁面温度大于主流温度，当高速气流流过固体表面时，虽然壁面温度大于主流温度，但在贴壁的边界层中，由于粘性摩擦生热的作用，使得贴但在贴壁的边界层中，由于粘性摩擦生热的作用，使得贴壁流体的温度比壁面温度还高，因而，流过固体表面的高壁流体的温度比壁面温度还高，因而，流过固体表面的高速气流不但不使壁面冷却，反而对壁面加

11、热速气流不但不使壁面冷却，反而对壁面加热 由于流体存在内摩擦，边界层中任取一层流体由于流体存在内摩擦，边界层中任取一层流体 考虑相距考虑相距dy的两个平面，由于内摩擦而加入到的两个平面，由于内摩擦而加入到这一层空间的单位面积的能量这一层空间的单位面积的能量dyduuu对照能量方程，该项对照能量方程，该项为粘性耗散的热量为粘性耗散的热量dydydudyudyddyudyd)()()(dydydudydydu2)(dydyudu)(二、粘性耗散二、粘性耗散粘性耗散项的物理意义为作用于控制体表面上的粘性耗散项的物理意义为作用于控制体表面上的法向力和剪应力使流体位移产生摩擦功而转变成法向力和剪应力使流

12、体位移产生摩擦功而转变成的热能的热能 内摩擦相当于在整个流体内形成均匀分布的内热内摩擦相当于在整个流体内形成均匀分布的内热源，从而也影响了热流传递方向源，从而也影响了热流传递方向 与导热相比与导热相比(有内热源的一维稳态导热有内热源的一维稳态导热)022VqdxTd22)(1)(dydudydydydudVdqv在什么情况下必须考虑粘性耗散项的影响？在什么情况下必须考虑粘性耗散项的影响？222yuyTyTvxTucplTuCPtPTluC2tT22tut2PrRe1tl2RetlEc 1 TCuEcP2埃克特数，反映粘性耗散的重要性埃克特数，反映粘性耗散的重要性只有当耗散项与对流项的数量级相当

13、时，高速流只有当耗散项与对流项的数量级相当时，高速流动的影响才是显著的动的影响才是显著的 ) 1 (PrOEc由于流体内摩擦的缘故，衡量从壁面导出热流的由于流体内摩擦的缘故，衡量从壁面导出热流的方向，已不能简单地用壁面温度和来流温度差来方向，已不能简单地用壁面温度和来流温度差来表示，需要引入恢复温度的概念表示，需要引入恢复温度的概念 恢复温度：恢复温度： 壁面在既未受到壁面在既未受到辐射传热，也没有热辐射传热，也没有热量从壁面导进导出情量从壁面导进导出情况下，由于内摩擦作况下，由于内摩擦作用所具有的温度用所具有的温度三、恢复温度三、恢复温度 高速气流的滞止温度高速气流的滞止温度 0T高速气流的动温高速气流的动温 )2/(2pCu绝热壁温度高于自由流温度，但总是小于自由流绝热壁温度高于自由流温度，但总是小于自由流的滞止温度。为此在确定绝热壁温时，对动力温的滞止温度。为此在确定绝热壁温时，对动力温度升高部分引入温度恢复系数加以修正度升高部分引入温度恢复系数加以修正 222112MkTCurTTPaw 高速气流对流换热计算必须选择绝热壁温为基准高速气流对流换热计算必须选择绝热壁温为基准 四、对流换热