传热学6-2课件

1、1/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer外部流动强制对流换热外部流动强制对流换热实验关联式实验关联式2/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer一、外掠等温平板一、外掠等温平板( (laminar flow, Re5105) )1.1.公式公式特征尺度：板长特征尺度：板长( (局部为局部为x，平均为，平均为l) )3/12/1PrRe332. 0 xxNu 1/21/30.664RePrmlNu 2.2.注意注意定性温度：定性温度：tm=(t+tw)/2x， ，h3/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Tr

2、ansfer二、外掠单管二、外掠单管(flow across single cylinder)1.1.流动特点流动特点前半周，加速流动前半周，加速流动0,0dpdudxdx脱体，脱体，flow seperation0,0dpdudxdx后半周，减速流动后半周，减速流动0,0dpdudxdx脱体位置取决于脱体位置取决于Re数，数，Re10,不脱体；5Re1.5 10 ,8085101616消失消失冲刷方向有影响冲刷方向有影响( (冲角冲角) )13/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer2.2.平均换热特性的实验关联式平均换热特性的实验关联式14/43传热学传热

3、学 Heat Transfer Heat Transfer 茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很 宽的宽的 数变化范围内更便于使用的公式。数变化范围内更便于使用的公式。 式中：定性温度为进出口流体平均温度；式中：定性温度为进出口流体平均温度； 按管按管 束的平均壁温确定；束的平均壁温确定； 数中的流速取管束数中的流速取管束 中最小截面的平均流速；特征长度为管子外中最小截面的平均流速；特征长度为管子外 径。径。 实验验证范围：实验验证范围：PrPrwRe。Pr0.6 500顺排（顺排（1616排）排）15/43传热学传热学 Heat Trans

4、fer Heat Transfer叉排（叉排（1616排）排）管排修正系数管排修正系数e en16/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer例题例题6-5,P2626-5,P26217/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer自然对流换热实验自然对流换热实验关联式关联式18/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer一、工程背景一、工程背景1.1.暖气管散热暖气管散热4.4.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) )2.2.室外变压器散热室外变压器散热3.3.事故条件下核反应堆散

5、热事故条件下核反应堆散热5.5.电子器件冷却电子器件冷却19/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer二、现象及特点二、现象及特点1.1.定义：自然对流是由于流体中各部分密度不均匀而定义：自然对流是由于流体中各部分密度不均匀而引起的一种流动与换热现象，其流动与换热过程不可引起的一种流动与换热现象，其流动与换热过程不可分割地联系在一起分割地联系在一起驱动力：温度场不均匀驱动力：温度场不均匀; ;重力作用重力作用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2.2.理解

6、理解换热很弱，通常为主要热阻，但经济、安全、平静换热很弱，通常为主要热阻，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的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自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热(50%)(50%)20/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer3.3.自然对流换热现象的速度与温度分布特点自然对流换热现象的速度与温度分布特点Tw T思考：思考：Tw Tyla m in a rtu rb u len tx22/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer23/4

7、3传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer24/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer三、自然对流换热现象的控制方程及相似特征数三、自然对流换热现象的控制方程及相似特征数1.1.以竖直平板上空气被加热为例以竖直平板上空气被加热为例uvContinuity Eq. 0 xy22ttEnergy Eq. uxyytva22u1uMomentumn Eq. uxyxyudpvgd pgxconst边界层外缘：dpgdx ggggtt g tt22uuuxyyuvg tt浮升力浮升力( (buoyancy force) )是重力与压力梯度综

8、合作用结果是重力与压力梯度综合作用结果25/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer2.2.相似特征数的导出相似特征数的导出00,wTTuvxyUVXYuuLLTT20u l2220U1UUXYRe Ywg ttlUVu无量纲化无量纲化221UXYRePrYV20wg ttlu32wg ttl浮升力与粘性力之比的一种度量浮升力与粘性力之比的一种度量26/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer3.3.相似特征数方程相似特征数方程Re,Pr,NufGrPr,NufGr四、大空间自然对流换热实验关联式四、大空间自然对流换热实验关联式1

9、.1.均匀壁温均匀壁温实用关联式形式实用关联式形式说明说明PrnnNuC GrC RaC及及n见表见表610， tm=(tw+t)/2，特征长度为表面高度，特征长度为表面高度l (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)a.a.上式虽然是对均匀壁温得出，但对非均匀壁温情上式虽然是对均匀壁温得出，但对非均匀壁温情形也近似适用，取其形也近似适用，取其平均壁温平均壁温计算计算b.Grb.Gr中中，气体按理想气体处理，气体按理想气体处理， =1/T=1/T，液体，液体查物性手册查物性手册27/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transferd.d.竖圆柱可以

10、归为竖壁的条件：竖圆柱可以归为竖壁的条件：c.c.一般一般: :1 4,laminar flow1 3,turbulent flowne.e.在湍流范围以内，在湍流范围以内，Nu中的中的l与与Gr中的中的l 可以消掉，可以消掉，h与高度与高度l无关无关，“自模化自模化”1435GrHdH28/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer2.2.均匀热流均匀热流?wT Gr?34*22GrGrNugtl lhg ql *NuGr Pr,6 11mBBm及 见表式中式中：定性温度取平均温度，特征长度对矩形取短边长。定性温度取平均温度，特征长度对矩形取短边长。29/43传

11、热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer例例6-6 6-6 室温为室温为1010的大房间中有一个直径为的大房间中有一个直径为15cm15cm的烟囱，其的烟囱，其竖直部分高为竖直部分高为1.5m1.5m，水平部分长，水平部分长15m15m。求烟囱的平均壁温为。求烟囱的平均壁温为 110 110 时，每小时的对流散热量。时，每小时的对流散热量。解：平均温度解：平均温度Ctttowm602/110102/由附录查得，由附录查得，60 60 时空气的物性时空气的物性3/060. 1mkgKkgkJcp/005. 1KmW/029. 0smv/1097.1826（1 1）烟囱竖

12、直部分的散热）烟囱竖直部分的散热1022632231076. 260273/1097.18101105 . 1/8 . 9KsmCmsmvtlgGro30/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer10101092. 1696. 01076. 2PrGr由表由表6-106-10知知1/3100.111.92 10295Nu 20.029/2955.70/1.5Wm KhNuWmKlm13.14 0.15 1.5 5.70 100403wdlh ttW 31/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer（2 2）烟筒水平部分的散热）烟筒水

13、平部分的散热3372269.8 0.151002.76 1018.97 1027360gtlGrv由表由表6-106-10知是层流知是层流670.257Pr8.2 10.6961.92 100.482.76 1031.8GrNu所以所以20.02931.86.15/0.15hWmK23.14 0.15 15 6.15 1004345W 1240343454748W 32/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer五、有限空间自然对流换热实验关联式五、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典型的有限空间自然对流1.1.竖夹层竖夹

14、层( (双层窗双层窗) )2.2.水平夹层水平夹层( (太阳能集热器的空气夹层太阳能集热器的空气夹层) )Tw 2Tw1qTw1Tw 2Hq33/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer3.3.特点：夹层厚度对流动开展有重要影响，冷热面温特点：夹层厚度对流动开展有重要影响，冷热面温差是引起流动的动力，一般以差是引起流动的动力，一般以为特征长度，为特征长度，(th - tc)为为计算计算Gr的温差的温差32GrhcgttNuh2hcrmttttGr,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2860Gr2430，竖夹层夹层换热为纯导热，水平夹层另外

15、经常需考虑辐射换热另外经常需考虑辐射换热34/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer4.4.实验关联式实验关联式1 9NuGr PrnHC竖夹层10.1974 10.0733nCCn，层流，层流，湍流，湍流水平夹层NuGr Pr nCH10.2124 10.0613nCCn，层流，层流，湍流，湍流 3557层流:Gr =8.610 -2.910湍流:Gr =2.910 -1.610 455层流:Gr =10 -4.6 10湍流:Gr4.6 1035/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer例例6-8 6-8 一个竖封闭夹层，两壁

16、由边长为一个竖封闭夹层，两壁由边长为0.5m0.5m的方形壁组成，的方形壁组成，两壁间距为两壁间距为15mm15mm，温度分别为，温度分别为100 100 ，40 40 。试计算通过此。试计算通过此空气夹层的自然对流换热量。空气夹层的自然对流换热量。解：定性温度为两壁的平均温度解：定性温度为两壁的平均温度CCCtttooowwm70240100221从附录查得空气物性为从附录查得空气物性为694.0Pr,/0296.0/1002.20,/029.1263KmWsmvmkg对于空气：对于空气：1310915. 234311KKTm36/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Tr

17、ansfer42263313210444. 1694. 0/1002.2010156010915. 2/8 . 9smmCKsmGro按式按式6-466-46计算，即计算，即335. 1015. 05 . 010002. 1197. 091414Nu所以所以KmWmKmWh2/63. 2015. 0/0296. 0335. 1自然对流换热量按牛顿冷却公式计算自然对流换热量按牛顿冷却公式计算WCmKmWthAoc5 .396025. 0/63. 22237/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer六、六、 自然对流与强制对流并存的混合对流自然对流与强制对流并存的混

18、合对流在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流考察浮升力与惯性力的比值考察浮升力与惯性力的比值 一般认为，一般认为， 时，自然对流的影响不能忽略，时，自然对流的影响不能忽略， 而而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以时，强制对流的影响相对于自然对流可以 忽略不计。忽略不计。 322222RegtlGru l2/Re0.1Gr2/Re10Gr自然对流对总换热量的影响低于自然对流对总换热量的影响低于1010的作为纯强制对流；的作为纯强制对流；强制对流对总换热量的影响低于强制对流对总换热量的影响低于1010的作为纯自然对流；的作为纯自然对流；

19、这两部分都不包括的中间区域为混合对流。这两部分都不包括的中间区域为混合对流。38/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer本章作业本章作业6-6、6-10、6-21、 6-26 、 6-37、6-43 、 6-5339/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer单相对流换热总结单相对流换热总结40/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer1.1.对流换热是如何分类的对流换热是如何分类的? ? 影响对流换热的主要物理因素影响对流换热的主要物理因素. .2.2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程对流换热

20、问题的数学描写中包括那些方程? ?3.3.自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别? ?4.4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数从流体的温度场分布可以求出对流换热系数( (表面传热系表面传热系 数数), ), 其物理机理和数学方法是什么其物理机理和数学方法是什么? ?5.5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义. .6.6.管外流和管内流的速度边界层有何区别管外流和管内流的速度边界层有何区别? ?7.7.为什么说层流对流换热系数基本取决与速度边界层的厚度为什么说层流对流换热系数基本取决

21、与速度边界层的厚度? ?8.8.从边界层积分方程的应用结果来说明从边界层积分方程的应用结果来说明. .9.9.为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度? ?10.10.对十分长的管路对十分长的管路, , 为什么在定性上可以判断管路内层流为什么在定性上可以判断管路内层流 对流换热系数是常数对流换热系数是常数? ?41/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer11.11.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组? ?12.12.如何将边界层对流换热微分方程组转化为无量纲形式如何将边界

22、层对流换热微分方程组转化为无量纲形式? ?13.13.为什么说对强制对流换热问题为什么说对强制对流换热问题, , 总可以有总可以有: Nu=f(Re,Pr) : Nu=f(Re,Pr) 的数学方程形式的数学方程形式? ?14.14.什么是特性长度和定性温度什么是特性长度和定性温度? ? 选取特性长度的原则是什么选取特性长度的原则是什么? ?15.15.对管内流和管外流对管内流和管外流, Re, Re准则数中的特性长度的取法是不一准则数中的特性长度的取法是不一 样的样的. . 说明其物理原因说明其物理原因. .16.16.当量水利直径的定义和计算方法当量水利直径的定义和计算方法. .1717*

23、*. .湍流动量扩散率湍流动量扩散率, , 湍流热扩散率湍流热扩散率, , 湍流普朗特数是如何湍流普朗特数是如何 定义的定义的? ? 它们是物性么它们是物性么? ? 1818*. .什么是雷诺比拟什么是雷诺比拟? ? 它怎样推导出摩擦系数和对流换热系它怎样推导出摩擦系数和对流换热系 数间的比拟关系式数间的比拟关系式? ?19.19.什么是相似原理什么是相似原理? ? 判断物理相似的条件判断物理相似的条件? ? 相似原理在工程相似原理在工程 中有什么作用中有什么作用? ?42/43传热学传热学 Heat Transfer Heat Transfer20.20.比拟和相似之间有什么联系和区别比拟和相似之间有什么联系和区别? ?2