第七章 单相流体特征数关联式(9)14

1、 北方学校冬季烧煤取暖北方学校冬季烧煤取暖工业上常见的一些热交换器的对流换热工业上常见的一些热交换器的对流换热热力管道的散热热力管道的散热火筒式加热炉示意图火筒式加热炉示意图工业锅炉热交换工业锅炉热交换1电加热板的散热电加热板的散热2 作业作业 思考思考7-10，7-12 习题习题 7-23（4723） 7-2 外掠物体时的强迫对流换热外掠物体时的强迫对流换热xWt,yxqxtu ,L一、纵掠平壁一、纵掠平壁根据流态分：分层流、混合流、紊流。根据流态分：分层流、混合流、紊流。注意：注意：层流层流是指在整个平壁长度上都处于层流状态。是指在整个平壁长度上都处于层流状态。混合流混合流是指在整个平壁长

2、度上既有层流，又有紊流。是指在整个平壁长度上既有层流，又有紊流。xu0层流qxy紊流tL紊流紊流是指在整个平壁长度上都处于紊流状态。是指在整个平壁长度上都处于紊流状态。t紊流yxq0uxL请大家思考：什么情况下在整个平壁长度上都处于紊流状态？请大家思考：什么情况下在整个平壁长度上都处于紊流状态？3121PrRe332. 0mxmmxxmxhNu适用范围：适用范围： ;50Pr6 . 0 ,105Re5ml 1、层流状态时采用波尔豪森计算得出的关联式、层流状态时采用波尔豪森计算得出的关联式局部对流换热系数：局部对流换热系数： 平均对流换热系数：平均对流换热系数： 3121PrRe664. 0ml

3、mmmhLNu2、紊流状态时采用科尔伯恩计算得出的关联式、紊流状态时采用科尔伯恩计算得出的关联式局部对流换热系数：局部对流换热系数： 平均对流换热系数：平均对流换热系数： 3154PrRe029. 0mxmmxxmxhNu3154PrRe037. 0mlmmmhLNu适用范围：适用范围： 。均温度，特征温度为边界层平和板长特征尺寸为2tttLxWm。均温度，特征温度为边界层平和板长特征尺寸为2tttLxWmt紊流yxq0uxL;60Pr6 . 0 ,105Re5mlxhhxxWt,yxqxtu ,Lt34 对于前一部分为层流，后一部分为紊对于前一部分为层流，后一部分为紊流的混合（或复合）边界层

4、，计算时，前流的混合（或复合）边界层，计算时，前一部分采用层流实验关联式计算，后一部一部分采用层流实验关联式计算，后一部分采用紊流实验关联式计算。分采用紊流实验关联式计算。对于其整个平壁表面的平均对流换热系数：对于其整个平壁表面的平均对流换热系数： 3、混合（或复合）边界层、混合（或复合）边界层层流边界层局部对流换热系数层流边界层局部对流换热系数 ccxLxxtLxdxhdxhLh0,1紊流边界层局部对流换热系数紊流边界层局部对流换热系数 混合流平壁表面的对流换热系数混合流平壁表面的对流换热系数 代入公式整理得出对全板长平均代入公式整理得出对全板长平均Num： 318 . 0Pr)23500(

5、Re037. 0mmmNu式中，特征尺寸为板长式中，特征尺寸为板长L ，特征温度为，特征温度为 tm 。 对于复合边界层，工程上有时需要知道层流与紊流的临界点对于复合边界层，工程上有时需要知道层流与紊流的临界点xc，一般取临界点，一般取临界点雷诺数雷诺数Recm =5105 ，则由，则由Recm =uf xc /m 计算得出。计算得出。xu0层流qxy紊流tLcx例如：水流过平壁，假设例如：水流过平壁，假设uf =5m/s，50 时时vm=0.556 10-6，计算得：，计算得：mmmuxfmcmc6 .550556. 0510556. 0105Re65 二、横掠单管（或柱）时的强迫对流换热二

6、、横掠单管（或柱）时的强迫对流换热横掠单管时的流动情形横掠单管时的流动情形 1.流动特征流动特征 所谓横掠单所谓横掠单管，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。流体横掠单管流动除了具有边界层特征外，还要发生绕流脱体，而产生回流、旋涡和涡束。单管流动除了具有边界层特征外，还要发生绕流脱体，而产生回流、旋涡和涡束。u流体绕掠圆管时沿程压力发生变化。在圆管的前半部，压力递降，而在后半部压流体绕掠圆管时沿程压力发生变化。在圆管的前半部，压力递降，而在后半部压力又回升，在边界层内流体靠本身的动量克服压力增长而向前流动，近壁的流体层力又回升

7、，在边界层内流体靠本身的动量克服压力增长而向前流动，近壁的流体层由于动量不大，在克服上升的压力时显得越来越困难，必然会在管壁的某点出现速由于动量不大，在克服上升的压力时显得越来越困难，必然会在管壁的某点出现速度梯度变为度梯度变为0，随后产生与原流动方向相反的回流，如图所示。这一转折点称为绕，随后产生与原流动方向相反的回流，如图所示。这一转折点称为绕流脱体的起点流脱体的起点(或称分离点或称分离点)。从此点起边界层内缘脱离壁面，故称脱体。从此点起边界层内缘脱离壁面，故称脱体。u脱体起点位置取决于脱体起点位置取决于Re数。数。Re10时不出现脱体。时不出现脱体。101105时，管束中时，管束中各圆管

8、的边界层为紊流边界层；当各圆管的边界层为紊流边界层；当1103Ress 1234568121620顺排叉排0.690.620.800.760.860.840.900.880.930.920.950.950.960.960.980.980.990.991.001.00zz排数排列 15304560708090顺排叉排0.410.410.700.530.830.780.940.940.970.971.001.00C)/(排列斜向冲刷管束时的修正系数斜向冲刷管束时的修正系数C管排少于管排少于20排时的排时的管排修正系数管排修正系数N上式中的系数和指数上式中的系数和指数 7-3 自然对流换热自然对流换

9、热一、大空间自然对流换热一、大空间自然对流换热自然对流换热是指：不依靠外力，由于流体内部冷、热各部分的密度不同自然对流换热是指：不依靠外力，由于流体内部冷、热各部分的密度不同所产生的浮升力作用下的对流换热。所产生的浮升力作用下的对流换热。例如，冬季室内暖气片对空气的对流换热；例如，冬季室内暖气片对空气的对流换热； 输电导线、变压器和电热炉的散热；输电导线、变压器和电热炉的散热； 计算机箱体内外的散热和电子元件的散热计算机箱体内外的散热和电子元件的散热 ，等等。，等等。所谓大空间自然对流换热是指传热面上边界层的形成和发展不因空间限制而受所谓大空间自然对流换热是指传热面上边界层的形成和发展不因空间

10、限制而受到干扰的自然对流换热。到干扰的自然对流换热。 常见的常见的大空间大空间自然对流换热现象有以下四种：自然对流换热现象有以下四种：竖平壁或竖圆柱竖平壁或竖圆柱横圆柱横圆柱 热面朝上或冷面热面朝上或冷面朝下的水平壁朝下的水平壁热面朝下或冷面热面朝下或冷面朝上的水平壁朝上的水平壁自然对流换热分为自然对流换热分为：大空间自然对流换热大空间自然对流换热； 有限空间自然对流换热。有限空间自然对流换热。 16 由于流动边界层是由热边界由于流动边界层是由热边界层引起的，所以两个边界层的厚层引起的，所以两个边界层的厚度可以认为是相等的度可以认为是相等的, 即即 。，处，。但严格说，；，0000tttuyu

11、ttyuttyfuW 1. 边界层的形成和发展边界层的形成和发展以竖平壁为例来分析自然对流换热边界层的形成和发展以竖平壁为例来分析自然对流换热边界层的形成和发展层流层流过渡流过渡流紊流紊流hhx),(yxufuft Wtyxo),(yxtut流动状态的转变，取决于流体流动状态的转变，取决于流体与壁面间的温差、流体物性、与壁面间的温差、流体物性、离竖壁起点的距离等，通常用离竖壁起点的距离等，通常用瑞利准则瑞利准则Ra=(Gr.Pr)来判断，来判断，对于流体沿竖壁的自然对流对于流体沿竖壁的自然对流, Ra=(Gr.Pr)1109 时，流态时，流态为紊流。为紊流。17 流体沿竖壁自然对流流体沿竖壁自

12、然对流 的流动状态的流动状态18 水平圆柱外空气自然对流的光学测定图像水平圆柱外空气自然对流的光学测定图像19 2. 实验关联式实验关联式（1）恒壁温）恒壁温 ：如：太阳直射下的地表面，正在工作的锅炉外壁面等。：如：太阳直射下的地表面，正在工作的锅炉外壁面等。，nmmGrCNuPr).(，粘滞力项浮升力项23vLtgGr,/1mT体胀系数,fWttt,重力加速度g特征尺寸，L运动粘度v式中，式中，上式中的系数上式中的系数C和指数和指数n20 竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况4135HGrHd；湍流，；：层流，式中指数时，当3141Pr

13、).(686. 03541nnnGrNuGrHdnmmH这种情况是指，竖圆柱的直径相对于高度较大，这种情况是指，竖圆柱的直径相对于高度较大，可以不考虑圆柱曲率对边界层和换热系数的影可以不考虑圆柱曲率对边界层和换热系数的影响。响。这种情况是指，竖圆柱的直径相对于高度较小，必须考虑圆柱曲率对边界这种情况是指，竖圆柱的直径相对于高度较小，必须考虑圆柱曲率对边界层和换热系数的影响。层和换热系数的影响。21上式中的系数上式中的系数C和指数和指数n 如：通电的高压电线，电子元器件的自然散热等。如：通电的高压电线，电子元器件的自然散热等。24*.vHqgNuGrGr紊流：紊流：41*Pr).(17. 0mm

14、GrhHNu适用范围：适用范围： ，定性温度为同上。，定性温度为同上。16*1310Pr).(102mGr实验关联式：实验关联式：51*Pr).(60. 0mmGrhHNu适用范围：适用范围： ，定性温度为，定性温度为11*510Pr).(10mGr).(21fWxmxttt层流：层流：（2）恒热流密度）恒热流密度为了为了避免避免Gr数中包含未知量，试验数据整理时采用数中包含未知量，试验数据整理时采用Gr*代替式中的代替式中的Gr，具体是具体是22 1）对于）对于“恒热流密度恒热流密度”计算时，由于已知热流密度计算时，由于已知热流密度 q ，而未知壁面温，而未知壁面温度度 tWx，根据实际情况

15、先假设一个壁面温度，计算定性温度，确定其，根据实际情况先假设一个壁面温度，计算定性温度，确定其它流体物性参数，进行试算，然后再用求得的它流体物性参数，进行试算，然后再用求得的h校核原假定的壁面校核原假定的壁面温度，直到满足要求为止。温度，直到满足要求为止。 2）无论是常壁温，还是常热流密度，自然对流紊流时的换热规律都表无论是常壁温，还是常热流密度，自然对流紊流时的换热规律都表明对流换热系数是个与特征长度无关的常量。利用这一特征，明对流换热系数是个与特征长度无关的常量。利用这一特征，紊紊流流自然对流的实验研究，可以用比已定特征数相等所要求的更小尺寸自然对流的实验研究，可以用比已定特征数相等所要求

16、的更小尺寸的模型进行模型研究，而只要保证仍处于的模型进行模型研究，而只要保证仍处于紊紊流的范围就可以了。这流的范围就可以了。这种特征称为自模化种特征称为自模化。 注意事项注意事项23 二、有限空间自然对流换热二、有限空间自然对流换热 如下图所示。一般对于竖直夹层，当如下图所示。一般对于竖直夹层，当 时，流体上升和下降运时，流体上升和下降运动不互相干扰，可当作大空间自然对流换热处理，但当动不互相干扰，可当作大空间自然对流换热处理，但当 时，流体时，流体上升和下降运动互相干扰，必须按有限空间自然对流换热计算。上升和下降运动互相干扰，必须按有限空间自然对流换热计算。33. 0H(a)竖直夹层竖直夹层

17、 对于自然对流换热，当空间小到使流体受热上升和受冷下降运动发生互相对于自然对流换热，当空间小到使流体受热上升和受冷下降运动发生互相干扰影响时，称为有限空间或小空间自然对流换热。干扰影响时，称为有限空间或小空间自然对流换热。 有限空间自然对流换热图示有限空间自然对流换热图示 (d) 、（、（e）水平环形夹层）水平环形夹层 (b) 、(c) 水平夹层水平夹层24 这两种方式的试验关联式是一样的。这两种方式的试验关联式是一样的。)(21WWettq=)ln()(21221ddttqWWeL=关联式：竖直夹层关联式：竖直夹层，knmmHGrcNu)(Pr).(9141)(Pr).(197. 0HGrN

18、umm12000Pr.=NuGr时，时，51026000Pr.=Gr时，75101 . 1102Pr.=Gr9131)(Pr).(073. 0HGrNumm以上各式使用范围：以上各式使用范围：。4211, 25 . 0Pr=H 对有限空间内的自然对流换热计算，有两种方式；对有限空间内的自然对流换热计算，有两种方式；)(2121WWmttt各物性参数的定性温度各物性参数的定性温度:)(21WWtthq平壁夹层平壁夹层: 水平环形夹层（同心圆筒壁夹层）水平环形夹层（同心圆筒壁夹层）:第一种方式第一种方式fmhNu第二种方式第二种方式fmhNueh fefe 一种方式是按对流换热过程计算，一种方式是

19、按对流换热过程计算，另一种方式是把夹层自然对流换热过程按平壁或圆筒壁稳态导热处理，即用另一种方式是把夹层自然对流换热过程按平壁或圆筒壁稳态导热处理，即用夹层的当量导热系数夹层的当量导热系数e大小，来反映夹层内自然对流换热过程的强弱。大小，来反映夹层内自然对流换热过程的强弱。25 26 2）对于有限空间气体自然对流换热，除了自然对流以外，夹层中的热）对于有限空间气体自然对流换热，除了自然对流以外，夹层中的热量传递还有辐射传热，此时，通过夹层的热量传递应是两者之和。量传递还有辐射传热，此时，通过夹层的热量传递应是两者之和。 1）对于竖直夹层对于竖直夹层 ，对于水平夹层对于水平夹层 时时，流动尚难流

20、动尚难展开，夹层中的热量传递为纯导热展开，夹层中的热量传递为纯导热。 注意事项注意事项2860Gr2430Gr 3）在对流传热中，有时需要既考虑强迫对流亦考虑自然对流。判断能）在对流传热中，有时需要既考虑强迫对流亦考虑自然对流。判断能否忽略自然对流影响的判据是否忽略自然对流影响的判据是Gr数中所含浮升力与粘滞力的比值。数中所含浮升力与粘滞力的比值。 比值比值两种对流的影响程度两种对流的影响程度自然对流的影响对于强迫对流可以忽略自然对流的影响对于强迫对流可以忽略自然对流的影响对于强迫对流不能忽略自然对流的影响对于强迫对流不能忽略混合流，强迫对流和自然对流都要考虑混合流，强迫对流和自然对流都要考虑强迫对流的影响对于自然对流可以忽略强迫对