第6章单相对流传热的实验关联式ppt课件

1、第第6 6章章 单相对流传热的实验关联式单相对流传热的实验关联式6.1 相似原理与量纲分析相似原理与量纲分析6.2 相似原理的应用相似原理的应用6.3 内部强制对流传热的实验关联式内部强制对流传热的实验关联式6.4 外部强制对流传热外部强制对流传热-流体横掠单管、球体及管束的实验关联式流体横掠单管、球体及管束的实验关联式6.5 大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式6.6 射流冲击传热的实验关联式不讲）射流冲击传热的实验关联式不讲）本章小结及作业本章小结及作业6.1 6.1 相似原理与量纲分析相似原理与量纲分析n 由于对流传热问题的复杂性，实验研究

2、方法是目前获得表面传热系数的最主由于对流传热问题的复杂性，实验研究方法是目前获得表面传热系数的最主要方法。要方法。n 在对要研究的对流传热现象进行常规实验研究时，往往会遇到三方面的困难：在对要研究的对流传热现象进行常规实验研究时，往往会遇到三方面的困难：n（1在原型上进行实验比较困难；在原型上进行实验比较困难；n（2实验工作量大；实验工作量大；n（3得到的实验结果应用范围较小。得到的实验结果应用范围较小。n 以无相变管内强制对流传热为例说明：以无相变管内强制对流传热为例说明：h=f( v, d, , cp, , )n 相似原理能够指导我们进行模化实验、减小工作量、指导整理实验数据并能相似原理能

3、够指导我们进行模化实验、减小工作量、指导整理实验数据并能扩大实验所得公式的应用范围。扩大实验所得公式的应用范围。n 本节将简单介绍相似原理的基本内容，下一节将介绍相似原理在对流传热实本节将简单介绍相似原理的基本内容，下一节将介绍相似原理在对流传热实验研究中的应用。验研究中的应用。6.1 6.1 相似原理与量纲分析相似原理与量纲分析6.1.1 物理现象相似的定义物理现象相似的定义6.1.2 相似原理的基本内容相似原理的基本内容6.1.3 导出相似特征数的两种方法导出相似特征数的两种方法前往6.1.1 6.1.1 物理现象相似的定义物理现象相似的定义n 物理现象相似的定义：物理现象相似的定义：n对

4、于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻以及相应的地点上对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻以及相应的地点上与现象有关的物理量均一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。与现象有关的物理量均一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。n 三点说明：三点说明：n（1同类现象是指由相同形式和相同内容的微分方程式所描写的同类现象是指由相同形式和相同内容的微分方程式所描写的现象。流动和传热不是同类现象方程内容不同），强制对流传热和现象。流动和传热不是同类现象方程内容不同），强制对流传热和自然对流传热也不是同类现象方程形式不同）。自然对流传热也不是同类现象方程形式不同）。n强制层流对流传热和强制湍流对流传热是否

5、是同类现象？强制层流对流传热和强制湍流对流传热是否是同类现象？n（2理论上，要求与现象有关的物理量都要一一对应成比例。实理论上，要求与现象有关的物理量都要一一对应成比例。实际上很难做到，往往需要近似，即所谓际上很难做到，往往需要近似，即所谓“近似模化近似模化”。n（3对于稳态问题，没有对对于稳态问题，没有对“时辰的要求。时辰的要求。前往6.1.2 6.1.2 相似原理的基本内容相似原理的基本内容n 相似原理主要包括以下三方面的内容：相似原理主要包括以下三方面的内容：n 1、相似物理现象之间有何特性相似第一定理）；、相似物理现象之间有何特性相似第一定理）；n 2、同一类现象中有多少独立相似特征数

6、及它们之间的关系相似第、同一类现象中有多少独立相似特征数及它们之间的关系相似第三定理）；三定理）；n 3、实现两个同类物理现象相似所需要满足的条件相似第二定理）、实现两个同类物理现象相似所需要满足的条件相似第二定理） 。1、相似物理现象间的特性、相似物理现象间的特性n 相似的物理现象之间同名相似特征数相似的物理现象之间同名相似特征数相等。相等。n 如对于流体与固体表面间的对流传热如对于流体与固体表面间的对流传热现象，所有相似的对流传热现象均具现象，所有相似的对流传热现象均具有相同的有相同的Nu数。数。2、同一类现象中相似特征数的数量及其间的关系、同一类现象中相似特征数的数量及其间的关系n 定理

7、表达了一个物理现象中的无量纲特征数之间的相互关系：定理表达了一个物理现象中的无量纲特征数之间的相互关系：n一个表示一个表示n个物理量之间关系的量纲一致的方程式，一定可以转个物理量之间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含换成包含n-r个独立的无量纲物理量群间的关系式。个独立的无量纲物理量群间的关系式。 r是是n个物理量中个物理量中所涉及到的基本量纲的数目。所涉及到的基本量纲的数目。n 对于彼此相似的物理现象，无量纲特征数之间的关系特征数方程对于彼此相似的物理现象，无量纲特征数之间的关系特征数方程都相同。因此，对某一特定物理过程所获得的特征数方程也适用于所都相同。因此，对某一特定物理过程所获

8、得的特征数方程也适用于所有其它与之相似的同类物理现象。有其它与之相似的同类物理现象。n 试分析管内强制对流传热的独立无量纲特征数有几个。试分析管内强制对流传热的独立无量纲特征数有几个。( , , , , , )phf v dc 3、两个同类物理现象相似的充要条件、两个同类物理现象相似的充要条件（1同名的已定特征数相等；同名的已定特征数相等；对于管内强制对流传热，对于管内强制对流传热，Re和和Pr数是由已知条件构成的，属于已定数是由已知条件构成的，属于已定特征数；特征数；Nu数包含待求的表面传热系数，属于待定特征数。数包含待求的表面传热系数，属于待定特征数。（2单值性条件相似。单值性条件相似。包

9、括初始条件、边界条件、几何条件表面几何形状、位置以及表面包括初始条件、边界条件、几何条件表面几何形状、位置以及表面粗糙度等）、物理条件物体的种类及物性）。粗糙度等）、物理条件物体的种类及物性）。前往6.1.3 6.1.3 导出相似特征数的两种方法导出相似特征数的两种方法n 前述的前述的定理仅给出了一个物理现象可以整理出多少个独立无量纲特征数的数目，定理仅给出了一个物理现象可以整理出多少个独立无量纲特征数的数目，但并没有告诉如何得出这些独立无量纲特征数的形式。导出相似特征数有两种但并没有告诉如何得出这些独立无量纲特征数的形式。导出相似特征数有两种方法：相似分析法和量纲分析法。方法：相似分析法和量

10、纲分析法。n 相似分析法是根据对物理现象的数学描述进行无量纲化得到相似特征数的方法，相似分析法是根据对物理现象的数学描述进行无量纲化得到相似特征数的方法，结果比较可靠。但应用该种方法的前提是首先必须要得出其数学描写。结果比较可靠。但应用该种方法的前提是首先必须要得出其数学描写。n 量纲分析法是首先找出与所研究物理问题有关的全部独立物理量，然后通过应量纲分析法是首先找出与所研究物理问题有关的全部独立物理量，然后通过应用用“量纲和谐原理来得出相似特征数的方法。该方法优点是对于尚不能写出量纲和谐原理来得出相似特征数的方法。该方法优点是对于尚不能写出数学描述的物理问题也能应用。但如果遗漏与所研究物理问

11、题有关的物理量，数学描述的物理问题也能应用。但如果遗漏与所研究物理问题有关的物理量，会得出错误的结果。会得出错误的结果。n 限于时间，我们不具体讲解这两种方法导出相似特征数的过程。限于时间，我们不具体讲解这两种方法导出相似特征数的过程。n 对于无相变管内强制对流传热问题，书中用量纲分析法得到了三个独立相似特对于无相变管内强制对流传热问题，书中用量纲分析法得到了三个独立相似特征数。征数。Nuf Re , Pr( , , , , , )phf v dc 前往6.2 6.2 相似原理的应用相似原理的应用n 对于所研究的物理现象，在得出了其涉及的相似特征数之后，就需要在相似原理对于所研究的物理现象，在

12、得出了其涉及的相似特征数之后，就需要在相似原理指导下设计模型实验装置，安排实验过程及实验数据整理。作为实验结果的使用指导下设计模型实验装置，安排实验过程及实验数据整理。作为实验结果的使用者来说，也要注意如何选择和使用经验关联式来得到正确的结果。者来说，也要注意如何选择和使用经验关联式来得到正确的结果。6.2.2 应用相似原理指导模化实验建立实验模型）应用相似原理指导模化实验建立实验模型）6.2.1 应用相似原理指导实验的安排及实验数据整理应用相似原理指导实验的安排及实验数据整理6.2.4 对实验关联式准确性的认识如何正确地选择公式）对实验关联式准确性的认识如何正确地选择公式）6.2.3 应用特

13、征数方程应注意之点如何正确地使用公式）应用特征数方程应注意之点如何正确地使用公式）例题讲解例题讲解前往6.2.2 6.2.2 应用相似原理指导模化实验应用相似原理指导模化实验n 模化实验是用不同于实物几何尺度的模型来研究实际装置中进行的物理过程的模化实验是用不同于实物几何尺度的模型来研究实际装置中进行的物理过程的试验。试验。n 要使模型实验得出的结果能用来指导实际装置的设计和运行，模型以及实际装要使模型实验得出的结果能用来指导实际装置的设计和运行，模型以及实际装置中所进行的物理过程必须是相似的物理现象。即必须要满足相似的充要条件：置中所进行的物理过程必须是相似的物理现象。即必须要满足相似的充要

14、条件：同名已定特征数相等和单值性条件相似。同名已定特征数相等和单值性条件相似。n 要实现完全的相似往往比较困难，一般采用近似模化。即只要求对过程有决定要实现完全的相似往往比较困难，一般采用近似模化。即只要求对过程有决定影响的特征数和单值性条件满足相似原理要求。如对单值性条件中物性场相似影响的特征数和单值性条件满足相似原理要求。如对单值性条件中物性场相似的要求，一般很难满足。实际上一般通过引入定性温度来近似实现。即认为整的要求，一般很难满足。实际上一般通过引入定性温度来近似实现。即认为整个流场中的物性为常数，数值为定性温度下的值。个流场中的物性为常数，数值为定性温度下的值。n 确定流场中的哪个温

15、度值作为定性温度来整理实验数据带有经验的性质，但使确定流场中的哪个温度值作为定性温度来整理实验数据带有经验的性质，但使用者必须保证和实验研究者采用相同的定性温度选取规定。用者必须保证和实验研究者采用相同的定性温度选取规定。前往6.2.1 6.2.1 应用相似原理指导实验的安排及实验数据整理应用相似原理指导实验的安排及实验数据整理1、按照相似原理来安排与整理实验数据、按照相似原理来安排与整理实验数据在相似原理指导下安排和整理实验数据时，是在相似特征数在相似原理指导下安排和整理实验数据时，是在相似特征数的层次上，而不是在每个物理量的层次上。的层次上，而不是在每个物理量的层次上。当以相似准则数作为安

16、排与整理实验的依据时，由于已定准当以相似准则数作为安排与整理实验的依据时，由于已定准则数个数较少，因此实验次数大幅度减少。则数个数较少，因此实验次数大幅度减少。另外，由于此时个别实验所得到的结果已经上升到了代表整另外，由于此时个别实验所得到的结果已经上升到了代表整个相似无量纲物理量群的地位，因此在实验次数大幅减少个相似无量纲物理量群的地位，因此在实验次数大幅减少的同时，实验结果的通用性却更好。的同时，实验结果的通用性却更好。2、特征数方程的常用形式、特征数方程的常用形式n 实验目的是确定特征数方程式的具体函数形式，即待定特征数与实验目的是确定特征数方程式的具体函数形式，即待定特征数与已定特征数

17、之间的函数关系。已定特征数之间的函数关系。n 具体特征数方程式采用何种函数形式带有经验的性质。在以往的具体特征数方程式采用何种函数形式带有经验的性质。在以往的对流传热实验研究中，人们发现采用幂函数形式来整理特征数方对流传热实验研究中，人们发现采用幂函数形式来整理特征数方程效果较好，并且比较简单方便。程效果较好，并且比较简单方便。n 以无相变管内强制对流传热为例：以无相变管内强制对流传热为例：mnPrRecPr,RefNun 公式中的公式中的C、n和和m等常数需要根据实验数据采用作图法、最小二乘等常数需要根据实验数据采用作图法、最小二乘法等来确定。法等来确定。n 当采用作图法确定特征数方程中的经

18、验常数时，特征数方程采用幂函当采用作图法确定特征数方程中的经验常数时，特征数方程采用幂函数形式的一个明显的的优点是在双对数坐标图中，幂函数曲线是直线。数形式的一个明显的的优点是在双对数坐标图中，幂函数曲线是直线。从而根据直线的斜率和截距可以方便地得到待定的经验常数。从而根据直线的斜率和截距可以方便地得到待定的经验常数。n 以无相变管内强制湍流对流传热假定以无相变管内强制湍流对流传热假定流体被壁面加热为例说明图解法确定流体被壁面加热为例说明图解法确定特征数方程中经验常数的步骤。由于该特征数方程中经验常数的步骤。由于该特征数方程要确定三个常数，因此要分特征数方程要确定三个常数，因此要分两步整理实验

19、数据。两步整理实验数据。n 首先固定首先固定Re数不变，改变数不变，改变Pr数，得到一数，得到一系列相应的系列相应的Nu数的值。分别以数的值。分别以lgNu和和lgPr为纵坐标和横坐标作图，用作图法为纵坐标和横坐标作图，用作图法根据直线的斜率得到根据直线的斜率得到m=0.4；n 然后改变然后改变Re数，得到一系列对应的数，得到一系列对应的Nu数的值。分别以数的值。分别以 lg(Nu/Pr0.4)和和 lgRe为为纵坐标和横坐标作图，用作图法根据直纵坐标和横坐标作图，用作图法根据直线的截距和斜率得到线的截距和斜率得到C=0.023，n=0.8n 最后得到的特征数方程为：最后得到的特征数方程为：0

20、.80.40.023NuRePr前往6.2.4 6.2.4 对实验关联式准确性的认识如何正确地选择公式）对实验关联式准确性的认识如何正确地选择公式）n 前人已经对不同的对流传热类型整理得到了很多特征数方程供使用。我们在应前人已经对不同的对流传热类型整理得到了很多特征数方程供使用。我们在应用这些公式时要注意两方面的问题：一是如何正确选择特征数方程；二是在已用这些公式时要注意两方面的问题：一是如何正确选择特征数方程；二是在已选好特征数方程后如何正确使用。本小节介绍如何正确选用特征数方程，下一选好特征数方程后如何正确使用。本小节介绍如何正确选用特征数方程，下一小节介绍如何正确使用已选好的公式。小节介

21、绍如何正确使用已选好的公式。n （1 1确定要解决对流传热问题的类型分类树中已列常用类型），并计算流确定要解决对流传热问题的类型分类树中已列常用类型），并计算流体所处的流态。一般根据这两条便可以选出能适用于所研究问题的一个或多个体所处的流态。一般根据这两条便可以选出能适用于所研究问题的一个或多个特征数方程。特征数方程。n （2 2对同一具体的对流传热问题，如果适用的公式有多个，则进一步进行选对同一具体的对流传热问题，如果适用的公式有多个，则进一步进行选择时可以根据不同公式的精度、计算复杂程度、使用范围的宽窄等方面特点通择时可以根据不同公式的精度、计算复杂程度、使用范围的宽窄等方面特点通过综合考

22、虑来确定。过综合考虑来确定。n （3 3需要说明的是：对于实验得到的关联式，公式的误差常常可达需要说明的是：对于实验得到的关联式，公式的误差常常可达2020，甚至甚至2525。但对于一般的工程计算，这样的误差是可以接受的。一些针对性。但对于一般的工程计算，这样的误差是可以接受的。一些针对性更强的专门关联式精度会较高，但一般使用范围较窄、形式比较复杂。当需要更强的专门关联式精度会较高，但一般使用范围较窄、形式比较复杂。当需要做相当精确的计算时，可以设法选用这些公式。做相当精确的计算时，可以设法选用这些公式。前往6.2.3 应用特征数方程应注意之点如何正确地使用公式）应用特征数方程应注意之点如何正

23、确地使用公式）n 在强制对流传热的特征数方程的相似特征数中包含了特征长度尺寸在强制对流传热的特征数方程的相似特征数中包含了特征长度尺寸和特征速度。另外，要确定相似特征数中的流体物性，需要确定相关和特征速度。另外，要确定相似特征数中的流体物性，需要确定相关的定性温度。特征长度、特征速度和定性温度是整理和使用对流传热的定性温度。特征长度、特征速度和定性温度是整理和使用对流传热特征数方程时需要注意的三大特征量。特征数方程时需要注意的三大特征量。n 限于对过程的理解不同、实验条件的不同，不同研究者可能采用不同限于对过程的理解不同、实验条件的不同，不同研究者可能采用不同的特征量来整理实验数据，因此对同一

24、传热问题也可能会有不同的特的特征量来整理实验数据，因此对同一传热问题也可能会有不同的特征数关联式。征数关联式。n 强调：我们在使用特征数关联式时应与研究者整理数据所使用的特征强调：我们在使用特征数关联式时应与研究者整理数据所使用的特征量一致。量一致。（1特征长度的选取特征长度的选取n 特征长度包含在特征长度包含在Re、Nu、Bi、Fo、Gr等特征数中。等特征数中。n 原则上，在整理实验数据时应取所研究问题中对流动和传热有显著影原则上，在整理实验数据时应取所研究问题中对流动和传热有显著影响的具有代表性的尺度作为特征尺度。如管内流动取管内径，流体横响的具有代表性的尺度作为特征尺度。如管内流动取管内

25、径，流体横掠单管取管外径，流体纵掠单管取管长，流体纵掠平板取板长等。掠单管取管外径，流体纵掠单管取管长，流体纵掠平板取板长等。n 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动时，一般取当量直径作为特流体在流通截面形状不规则的槽道中流动时，一般取当量直径作为特征尺度。征尺度。De=4Ac/P，Ac 为过流截面面积，为过流截面面积，P为湿周。为湿周。n 具体应以所用公式规定为准。具体应以所用公式规定为准。（2特征速度的选取特征速度的选取n Re数中包含流体流速。一般流体外掠平板取来流速度，流体在管内数中包含流体流速。一般流体外掠平板取来流速度，流体在管内进行强制对流传热取管内截面平均流速，流体横掠单管取来

26、流速度，进行强制对流传热取管内截面平均流速，流体横掠单管取来流速度，流体横掠管束取最小流通截面的最大流速。流体横掠管束取最小流通截面的最大流速。n具体应以所用公式规定为准。具体应以所用公式规定为准。（3定性温度的选取定性温度的选取n 准则数中的准则数中的, , cp, , v等流体物性参数受流体温度的影响很大。等流体物性参数受流体温度的影响很大。n 一般通道内部对流传热取通道进出口的流体平均温度为定性温度，外一般通道内部对流传热取通道进出口的流体平均温度为定性温度，外部流动取主流温度或主流温度与壁面温度的平均值。自然对流传热一部流动取主流温度或主流温度与壁面温度的平均值。自然对流传热一般取远处

27、流体温度与壁面温度的平均值。般取远处流体温度与壁面温度的平均值。n 具体应以所用公式规定为准。在对流传热特征数关联式中，常用特征具体应以所用公式规定为准。在对流传热特征数关联式中，常用特征数的下标来说明定性温度的取法数的下标来说明定性温度的取法(f, m, w)，如：，如：NuRePrfff、NuRePrmmm、wf,fwwTTPr（4准则方程适用的范围准则方程适用的范围n 准则方程不能任意推广到得出该方程的实验参数范围之外。准则方程不能任意推广到得出该方程的实验参数范围之外。这些实验参数范围包括这些实验参数范围包括Re数范围、数范围、Pr数范围、几何参数数范围、几何参数的范围入口段和充分发展

28、段等。的范围入口段和充分发展段等。前往例例5-35-3：一换热设备的工作条件是：壁温：一换热设备的工作条件是：壁温120 120 ，加热，加热8080的的空气，空气流速为：空气，空气流速为：u=0.5m/su=0.5m/s。采用一个全盘缩小成原设备。采用一个全盘缩小成原设备的的1/51/5的模型来研究它的换热情况。在模型中亦对空气加热，的模型来研究它的换热情况。在模型中亦对空气加热，空气温度空气温度1010，壁面温度，壁面温度3030。试问在模型中流速。试问在模型中流速uu应为多应为多大才能保证与原设备中的换热现象相似。大才能保证与原设备中的换热现象相似。例题讲解：例题讲解：解：模型与原设备中

29、研究的是同类现象，单值性条件亦相似，解：模型与原设备中研究的是同类现象，单值性条件亦相似，所以只要已定准则所以只要已定准则ReRe，PrPr彼此相等既可实现相似。因为空气的彼此相等既可实现相似。因为空气的PrPr数随温度变化不大，可以认为数随温度变化不大，可以认为Pr=PrPr=Pr。于是需要保证的是。于是需要保证的是Re=ReRe=Re。据此。据此vulvlu 从而从而l vlvuu取定性温度为流体与壁温的平均值，取定性温度为流体与壁温的平均值，2/fwmttt从附录查得：从附录查得：smv261013.23smv261006.15已知已知l/l=5l/l=5。于是，模型中要求的流速。于是，

30、模型中要求的流速uu为：为：smsmsmsml vlvuu/63. 1/1013.235/1006.15/5 . 02626前往n 无相变内部强制对流传热是工程上最常用对流传热类型，有关实验关无相变内部强制对流传热是工程上最常用对流传热类型，有关实验关联式的是工程计算的依据，必须掌握，是每年考试的必考内容。联式的是工程计算的依据，必须掌握，是每年考试的必考内容。6.3 6.3 内部强制对流传热的实验关联式内部强制对流传热的实验关联式6.3.1 6.3.1 管槽内强制对流流动与传热的一些特点管槽内强制对流流动与传热的一些特点6.3.2 6.3.2 管槽内湍流强制对流传热关联式管槽内湍流强制对流传

31、热关联式6.3.3 6.3.3 管槽内层流强制对流传热关联式管槽内层流强制对流传热关联式管内强迫对流传热计算注意事项及例题讲解管内强迫对流传热计算注意事项及例题讲解前往6.3.1 6.3.1 管槽内强制对流流动与传热的一些特点管槽内强制对流流动与传热的一些特点n管槽含义：流动截面是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等管槽含义：流动截面是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等n特点：流体在管槽内部流动时，换热壁面上边界层的发展受到流道壁特点：流体在管槽内部流动时，换热壁面上边界层的发展受到流道壁面的限制，因此，其流动和传热规律与外部流动有明显的区别。面的限制，因此，其流动和传热规律与外部流动有明显

32、的区别。n本小节内容包括：本小节内容包括：n1. 1. 流体在管槽内的两种流态流体在管槽内的两种流态n2. 2. 管槽内流动与传热的入口段与充分发展段管槽内流动与传热的入口段与充分发展段n3. 3. 两种典型的热边界条件两种典型的热边界条件-均匀壁温和均匀热流均匀壁温和均匀热流n4. 4. 内部对流传热的流体平均温度以及流体与壁面的平均温差内部对流传热的流体平均温度以及流体与壁面的平均温差前往 2300Re230010000Re410Re层流：层流：过渡区：过渡区：旺盛湍流：旺盛湍流：n 由于不同流态的流动和传热机理不同，实验关联式通常是按流态给出的由于不同流态的流动和传热机理不同，实验关联式

33、通常是按流态给出的1. 1. 流体在管槽内的两种流态流体在管槽内的两种流态n 管槽内流体的流态根据以管槽内流体的流态根据以Re数来判断管道内径为特征长度、以数来判断管道内径为特征长度、以管内流体的截面平均速度为特征速度、一般以流体进出口平均温度管内流体的截面平均速度为特征速度、一般以流体进出口平均温度作定性温度）。作定性温度）。前往n 内部对流传热时，边界层的形成和发展受管壁的限制。因此，沿管长内部对流传热时，边界层的形成和发展受管壁的限制。因此，沿管长根据边界层是否汇合，分入口段和充分发展段。根据边界层是否汇合，分入口段和充分发展段。n入口段：边界层厚度沿管长逐渐增加，直至在管中心汇合入口段

34、：边界层厚度沿管长逐渐增加，直至在管中心汇合n发展段：边界层汇合于管子中心线后，边界层充满整个管道发展段：边界层汇合于管子中心线后，边界层充满整个管道n 层流和湍流流态也都有入口段和充分发展段。层流和湍流流态也都有入口段和充分发展段。n 热边界层和速度边界层沿流动方向均有入口段和充分发展段之分热边界层和速度边界层沿流动方向均有入口段和充分发展段之分2. 2. 管槽内流动与传热的入口段与充分发展段管槽内流动与传热的入口段与充分发展段层流层流 Re104n 充分发展段流动和传热特点：充分发展段流动和传热特点：n管内流动特点：管道截面速度分布沿管长保持不变也称速度分布管内流动特点：管道截面速度分布沿

35、管长保持不变也称速度分布定型），局部流体与壁面的摩擦系数沿管长保持不变。定型），局部流体与壁面的摩擦系数沿管长保持不变。n管内传热特点：管道截面无量纲过余温度分布沿管长保持不变也管内传热特点：管道截面无量纲过余温度分布沿管长保持不变也称温度分布定型），局部表面传热系数沿管长保持不变。称温度分布定型），局部表面传热系数沿管长保持不变。t/0.05 Re PrLdt60Ld湍流入口段长度湍流入口段长度层流入口段长度层流入口段长度n 思索：流动入口段和换热入口段长度之间有何关系？主要受什么因素思索：流动入口段和换热入口段长度之间有何关系？主要受什么因素影响？影响？n 入口段长度：层流和湍流时的入口段

36、长度不同，分别如下。（留意：入口段长度：层流和湍流时的入口段长度不同，分别如下。（留意：在管内湍流对流传热时，在管子入口附近处，也是层流流态）在管内湍流对流传热时，在管子入口附近处，也是层流流态）n 管内对流传热时无量纲过余温度定义：管内对流传热时无量纲过余温度定义：wfwttttn 层流和湍流时，管内对流传热边界层发展情况、温度分布、以及局部表层流和湍流时，管内对流传热边界层发展情况、温度分布、以及局部表面传热系数沿管长的变化规律如图。面传热系数沿管长的变化规律如图。n hx横向比较：可以看出，入口段的局部表面传热系数要高于充分发展段。横向比较：可以看出，入口段的局部表面传热系数要高于充分发

37、展段。n hx纵向比较：同为充分发展段，湍流情况的表面传热系数要高于层流。纵向比较：同为充分发展段，湍流情况的表面传热系数要高于层流。前往管内流动时流体温度分布及管内流动时流体温度分布及hx沿管长变化规律沿管长变化规律3. 3. 两种典型的热边界条件两种典型的热边界条件- -均匀热流和均匀壁温均匀热流和均匀壁温n 均匀热流边界条件：轴向及周向热流密度均匀，也称恒热流热边界条均匀热流边界条件：轴向及周向热流密度均匀，也称恒热流热边界条件。采用外部保温良好的均匀缠绕的电热丝来加热固体壁面另一侧的件。采用外部保温良好的均匀缠绕的电热丝来加热固体壁面另一侧的流体时，可以认为是均匀热流边界条件。流体时，

38、可以认为是均匀热流边界条件。n 均匀壁温边界条件：轴向及周向壁温均匀，也称恒壁温热边界条件。均匀壁温边界条件：轴向及周向壁温均匀，也称恒壁温热边界条件。采用蒸汽相变来加热或冷却固体壁面另一侧的流体时，可以认为是均采用蒸汽相变来加热或冷却固体壁面另一侧的流体时，可以认为是均匀壁温边界条件。匀壁温边界条件。n 不同热边界条件下，管内对流传热的表面传热系数、流体截面平均温不同热边界条件下，管内对流传热的表面传热系数、流体截面平均温度及管壁温度沿管长的变化规律是不同的。度及管壁温度沿管长的变化规律是不同的。n 热边界条件对表面传热系数的影响在湍流时可以不计。在层流时，则热边界条件对表面传热系数的影响在

39、湍流时可以不计。在层流时，则不同热边界条件需要采用不同的关联式。不同热边界条件需要采用不同的关联式。均匀热流时流体平均温度及管壁温度沿管长变化规律均匀热流时流体平均温度及管壁温度沿管长变化规律n 对于冷流体，取微元管长对于冷流体，取微元管长dx分析流体温度分析流体温度的变化，据能量守恒的变化，据能量守恒qw(x)dxd = uAccpdtf(x)，知，知dtf(x)/dx为常数，因此为常数，因此tf(x)随管长线性变化。随管长线性变化。n 对于流体与壁面传热，据对于流体与壁面传热，据qw(x)保持不变，保持不变，qw(x)=hxt(x)，并考虑进入充分发展段，并考虑进入充分发展段后后hx不变，

40、因此有不变，因此有t(x)沿管长不变。因此，沿管长不变。因此，壁面温度在充分发展段也随管长线性变化。壁面温度在充分发展段也随管长线性变化。n 在入口段，由于在入口段，由于hx逐渐变小，因此流体与逐渐变小，因此流体与壁面传热温差逐渐变大，壁面温度增加呈先壁面传热温差逐渐变大，壁面温度增加呈先快后慢，直到入口段变为线性变化。快后慢，直到入口段变为线性变化。均匀壁温时流体平均温度及管壁温度沿管长变化规律均匀壁温时流体平均温度及管壁温度沿管长变化规律n 此时壁面温度沿管长保持不变。流体温度由此时壁面温度沿管长保持不变。流体温度由于被加热而沿管长逐渐升高。于被加热而沿管长逐渐升高。n 对于流体与壁面传热

41、，据对于流体与壁面传热，据qw(x) =hxt(x)，考虑进入充分发展段后，考虑进入充分发展段后hx不不变，而流体温度逐渐升高而导致传热温差不变，而流体温度逐渐升高而导致传热温差不断变小，因此，断变小，因此，qw(x)沿管长逐渐变小。沿管长逐渐变小。n 对于冷流体，取微元管长对于冷流体，取微元管长dx分析流体温度分析流体温度的变化，据能量守恒的变化，据能量守恒qw(x)dxd = uAccpdtf(x)，由于，由于qw(x)沿管长逐渐减小，沿管长逐渐减小，知知dtf(x) 也逐渐变小，因此也逐渐变小，因此tf(x)随管长增加随管长增加升高速度逐渐变慢。升高速度逐渐变慢。n 在入口段，冷流体温升

42、速度如何？在入口段，冷流体温升速度如何？n此时，由于此时，由于hx较大，传热温差也较大，较大，传热温差也较大，因此流体与壁面传热热流密度较大，冷流体因此流体与壁面传热热流密度较大，冷流体温升也最快。温升也最快。前往4. 4. 内部对流传热的流体平均温度以及流体与壁面的平均温差内部对流传热的流体平均温度以及流体与壁面的平均温差n 在局部热流密度计算公式中和确定定性温度时均要用到局部流体温度在局部热流密度计算公式中和确定定性温度时均要用到局部流体温度tf。那么如何确定该温度呢？。那么如何确定该温度呢？。 f,pAcpAcc u r x t r x dAtc u r x dAn 由于流体要与壁面发生

43、对流传热，因此无论何种情况，由于流体要与壁面发生对流传热，因此无论何种情况，tf总是沿管长总是沿管长发生变化的。这一点不同于流体外部流动对流传热的情况。发生变化的。这一点不同于流体外部流动对流传热的情况。n 截面流体平均温度可以直接通过实验测量得到，或在得到截面上的流截面流体平均温度可以直接通过实验测量得到，或在得到截面上的流体速度和温度分布后由上述公式得到。体速度和温度分布后由上述公式得到。n 由于管壁加热或冷却的影响，同一截面不同位置处流体温度不同。前由于管壁加热或冷却的影响，同一截面不同位置处流体温度不同。前面用的面用的tf均为管内截面的流体平均温度。其定义式为：均为管内截面的流体平均温

44、度。其定义式为：ff12ftttwfxxqh tt流体与壁面的平均传热温差流体与壁面的平均传热温差n 计算管内流体与壁面的总对流传热量公式为：计算管内流体与壁面的总对流传热量公式为：n 上式中的上式中的h为整个传热表面的平均表面传热系数，需要根据后面介绍的为整个传热表面的平均表面传热系数，需要根据后面介绍的特征数方程式得到。现在来考虑如何确定特征数方程式得到。现在来考虑如何确定t。n 很显然，该很显然，该t也应该是整个传热表面上的平均传热温差，而不能是某也应该是整个传热表面上的平均传热温差，而不能是某一管长处局部的传热温差。一管长处局部的传热温差。n 对于恒壁温和横热流两种热边界条件情况，它们

45、的对于恒壁温和横热流两种热边界条件情况，它们的t确定方法也不同。确定方法也不同。wfhA tthA t wfttt fwttt n 对于恒热流边界条件，由于在对于恒热流边界条件，由于在充分发展段，壁面与流体传热充分发展段，壁面与流体传热温差保持不变，因此当管道足温差保持不变，因此当管道足够长时，可以取出口处壁面和够长时，可以取出口处壁面和流体间的温差作为整个传热表流体间的温差作为整个传热表面的传热温差。面的传热温差。或或n 在恒壁温条件，截面上的局部温在恒壁温条件，截面上的局部温差是个变值，因此应采用由热平差是个变值，因此应采用由热平衡方程得到的对数平均温差。衡方程得到的对数平均温差。（该公式

46、对流体被加热适用）（该公式对流体被加热适用）ffw2tttt wfwfffwfwfwfwflnlnlnttttttttttttttt n 当进出口截面上的温差比在当进出口截面上的温差比在0.5-20.5-2之间时，可以采用算术平均温差之间时，可以采用算术平均温差代替对数平均温差，误差在工程代替对数平均温差，误差在工程计算允许范围内计算允许范围内(4%)(0.6的常规流体，对于的常规流体，对于Pr数很小的液态金属不讲。数很小的液态金属不讲。n 1. Dittus-Boelter公式公式n 2. 格尼林斯基格尼林斯基Gnielinski公式公式n 3. 管内湍流强迫对流传热规律分析及强化对流传热手

47、段管内湍流强迫对流传热规律分析及强化对流传热手段前往1. Dittus-Boelter公式公式n 湍流流态下管槽内强制对流传热的实验关联式首推湍流流态下管槽内强制对流传热的实验关联式首推Dittus-Boelter公式公式1930年由两人提出）。公式形式简单、适用范围广、精度也可以接受年由两人提出）。公式形式简单、适用范围广、精度也可以接受0.8fff0.023nNuRePrn 加热流体时，加热流体时，n=0.4；冷却流体时，；冷却流体时，n=0.3。n 公式应用说明：公式应用说明：n （1适用于恒壁温和恒热流两种情况；适用于恒壁温和恒热流两种情况；n （2三大特征量分别为流体进出口平均温度、

48、管子内径或当量直径对三大特征量分别为流体进出口平均温度、管子内径或当量直径对非圆形截面槽道以及管子截面平均流速；非圆形截面槽道以及管子截面平均流速；n （3实验验证范围：实验验证范围：Ref=104-1.2105; Prf=0.7-120; l/d=60n （4流体与壁面温差为中等，即对气体，温差流体与壁面温差为中等，即对气体，温差50; 对水，温差对水，温差20-30 ; 粘性对温度变化比较敏感的油类，温差粘性对温度变化比较敏感的油类，温差10 。n （5直管直管n 如何对不满足中等传热温差、长管、直管的情况进行修正？如何对不满足中等传热温差、长管、直管的情况进行修正？前往非圆形截面槽道的特

49、征尺寸非圆形截面槽道的特征尺寸n 采用槽道的当量直径代替圆管的直径，从而用对圆管得到的特征数关采用槽道的当量直径代替圆管的直径，从而用对圆管得到的特征数关联式来计算此时的对流传热系数。联式来计算此时的对流传热系数。n De=4Ac/Pn 式中，式中，Ac为槽道的截面积；为槽道的截面积；P为湿周，即槽道壁与流体接触面的长度。为湿周，即槽道壁与流体接触面的长度。前往不满足中等温差和长、直管情况时的修正不满足中等温差和长、直管情况时的修正（1变物性影响的修正变物性影响的修正热流方向和温差会通过流体物性的变化影响对流传热过程热流方向和温差会通过流体物性的变化影响对流传热过程的强弱，其原理如图所示。截面

50、上温度分布的不均匀会的强弱，其原理如图所示。截面上温度分布的不均匀会影响流体的粘性，进而影响流体速度的分布和传热过程。影响流体的粘性，进而影响流体速度的分布和传热过程。液体被冷却时，近壁处流体粘度变大，流速低于等温情况，液体被冷却时，近壁处流体粘度变大，流速低于等温情况，因此边界层变厚，削弱传热因此边界层变厚，削弱传热(n=0.3)。液体被加热时，近壁处流体粘度变小，流速高于等温情况，液体被加热时，近壁处流体粘度变小，流速高于等温情况，因此边界层变薄，增强传热因此边界层变薄，增强传热(n=0.4)。对于气体，传热的变化方向和液体时正好相反。（为何对于气体，传热的变化方向和液体时正好相反。（为何

51、n却不变？）却不变？）n 通常有两种办法来考虑热流方向和温差对大小对传热规律的影通常有两种办法来考虑热流方向和温差对大小对传热规律的影响。响。n A. 通过对关联式的通过对关联式的Pr数指数在加热和冷却是选取不同的数值来数指数在加热和冷却是选取不同的数值来考虑。这是一种最简单方便的方法。考虑。这是一种最简单方便的方法。n B. 当流体和表面的温差较大时，靠上面方法已不能充分反映物当流体和表面的温差较大时，靠上面方法已不能充分反映物性变化的影响。这是需要采取引入温差修正系数的方法此时性变化的影响。这是需要采取引入温差修正系数的方法此时n恒取恒取0.4），即在关联式右端乘以温差修正系数），即在关联

52、式右端乘以温差修正系数ct。0.8ffft0.023 RePrnNuc0.55tfwcTTt1c0.11ftwc液体被冷却时液体被冷却时气体被加热时气体被加热时气体被冷却时气体被冷却时液体被加热时液体被加热时n 引入修正系数引入修正系数ct来考虑不均匀物性场对换热的影响来考虑不均匀物性场对换热的影响n 此时，此时，n无论加热还是冷却均取无论加热还是冷却均取0.40.25ftwcn 思索：液体被冷却时温差修正系数公式中的指数大于液体被加热时思索：液体被冷却时温差修正系数公式中的指数大于液体被加热时的指数，是否说明被冷却时传热强于加热时？的指数，是否说明被冷却时传热强于加热时？（2入口段的影响入口

53、段的影响n 对于对于l/d60的情况，即所谓的情况，即所谓“短管的情况要考虑入口段效短管的情况要考虑入口段效应对传热的影响。通常在关联式的右端乘以入口效应修正系应对传热的影响。通常在关联式的右端乘以入口效应修正系数数cl来考虑。来考虑。n 对于工业上常见的尖角入口管道，该系数的计算公式为：对于工业上常见的尖角入口管道，该系数的计算公式为：0.71ldcL（3螺旋管弯管修正系数螺旋管弯管修正系数n 当管道不是直管而是螺旋管当管道不是直管而是螺旋管时，由于流体在向前流动过时，由于流体在向前流动过程中连续的改变方向，因此程中连续的改变方向，因此会在横截面上引起二次环流，会在横截面上引起二次环流，导致

54、流体的扰动，减薄边界导致流体的扰动，减薄边界层而强化换热。层而强化换热。r11.77dcRn 二次环流对传热的影响可以通过在特征数关联式右端乘以一个螺旋二次环流对传热的影响可以通过在特征数关联式右端乘以一个螺旋管修正系数管修正系数Cr来考虑。该系数的确定方法如下：来考虑。该系数的确定方法如下：对于气体：对于气体：对于液体：对于液体：3r110.3dcR前往 ffff0.52 38Re1000 Pr1+12.78Pr1fNuf50.610fPr6f230010Re2. 格尼林斯基格尼林斯基Gnielinski公式公式n 实验验证范围为实验验证范围为n 特点：精度很高、包含过渡区且能用于粗糙管情形

55、特点：精度很高、包含过渡区且能用于粗糙管情形 前往3. 3. 管内湍流强制对流传热规律的分析管内湍流强制对流传热规律的分析n 对对Dittus-BoelterDittus-Boelter公式中公式中n n取取0.40.4，不计有关修正，将公式展开成，不计有关修正，将公式展开成原始物理量形式：原始物理量形式：由上式可知：由上式可知：流速和密度对流速和密度对h影响最大，且为正影响；影响最大，且为正影响；物性中热导率、密度、比热容均为正影响，粘度为负影响；物性中热导率、密度、比热容均为正影响，粘度为负影响；管径为负影响，管长对管径为负影响，管长对h无影响。无影响。),(4 . 02 . 06 . 0

56、4 . 08 . 08 . 0dcufhp1、提高流速但流动阻力也同时增加，压降与流速、提高流速但流动阻力也同时增加，压降与流速1.75次方成正比）次方成正比）2、采用性能更好的流体高的热导率、密度和比热容，低的粘度）、采用性能更好的流体高的热导率、密度和比热容，低的粘度）3、采用小管径管、采用小管径管4、利用短管、利用短管5、采用弯管或螺旋管、采用弯管或螺旋管6、采用粗糙管或其它方法，破坏层流底层、采用粗糙管或其它方法，破坏层流底层强化管内湍流强制对流传热的手段强化管内湍流强制对流传热的手段前往6.3.3 6.3.3 管槽内层流强制对流传热关联式管槽内层流强制对流传热关联式1 1、圆管内层流

57、充分发展段对流传热其它截面形状可参考教材）、圆管内层流充分发展段对流传热其它截面形状可参考教材） 恒壁温条件下：恒壁温条件下：NufNuf3.663.66 恒热流条件下：恒热流条件下：NufNuf4.364.36适用条件：层流、充分发展、圆管内强制对流传热适用条件：层流、充分发展、圆管内强制对流传热阐明：阐明：（1 1层流时热边界条件的影响不能忽略；层流时热边界条件的影响不能忽略；（2 2与湍流不同，层流充分发展段与湍流不同，层流充分发展段NuNu数与数与ReRe数无关，即与流体流速无关。数无关，即与流体流速无关。（3 3层流时，对非圆形截面的槽道，不能用当量直径而采用圆形截面的关联层流时，对

58、非圆形截面的槽道，不能用当量直径而采用圆形截面的关联式。应用针对不同截面形状的专门公式。式。应用针对不同截面形状的专门公式。2 2、齐德泰特、齐德泰特SiederSiederTateTate公式公式0.141/3fffw1.86/fRe PrNuLdn 三大特征量：定性温度为三大特征量：定性温度为tf，w按壁温按壁温tw确定；特征长度为管径；特确定；特征长度为管径；特征速度为管内流体平均流速征速度为管内流体平均流速n 适用条件为：层流、恒壁温、入口段和充分发展段适用条件为：层流、恒壁温、入口段和充分发展段n 实际换热设备，在层流时的传热常处于入口段范围，这时可采用该公式。实际换热设备，在层流时

59、的传热常处于入口段范围，这时可采用该公式。它既包含入口段、又包括充分发展段的层流对流传热它既包含入口段、又包括充分发展段的层流对流传热0.141/ 3ffffwRe Pr1.86/NuLdfw0.00449.75fPr0.4816700n 实验验证范围为：实验验证范围为：2)()Pr(Re14. 03/1wfffldn 最后一个条件说明该公式对最后一个条件说明该公式对l/d的大小有一定限制，不能超出某一范围的大小有一定限制，不能超出某一范围前往管内强迫对流传热计算注意事项及例题讲解管内强迫对流传热计算注意事项及例题讲解l 管内强迫对流传热的计算是每年必考的计算大题，因此应该熟练掌握管内强迫对流

60、传热的计算是每年必考的计算大题，因此应该熟练掌握l 1 1、典型问题、典型问题l 已知管长、管径、管壁温度、管内流速流量及流体入口温度，计算已知管长、管径、管壁温度、管内流速流量及流体入口温度，计算流体出口温度；流体出口温度；l 已知管径、管壁温度、流体流速流量及入口温度，计算流体被加热已知管径、管壁温度、流体流速流量及入口温度，计算流体被加热到某一温度所需对流传热面积或管长；到某一温度所需对流传热面积或管长；l 已知管长、管径、流体流速流量及进出口温度，计算在此条件下的已知管长、管径、流体流速流量及进出口温度，计算在此条件下的壁面温度传热温差）。壁面温度传热温差）。l （各问题的核心均为利用