第4章 对流换热-2

1、热工学热工学1 1强制对流换热及其实验关联式强制对流换热及其实验关联式1.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点管槽内强制对流流动与换热的特点内部流动过程中，一侧固体表面上的边界层在内部流动过程中，一侧固体表面上的边界层在形成和发展过程中可能受到另一侧固体表面的形成和发展过程中可能受到另一侧固体表面的限制，形成边界层干扰或汇合限制，形成边界层干扰或汇合热工学热工学2 2流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇合于通道中心合于通道中心换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱于通道中心，换热强

2、度由最高而逐渐减弱充分发展段充分发展段0ux0 x热工学热工学3 3两种典型边界条件下，流体温度与壁面温度沿两种典型边界条件下，流体温度与壁面温度沿主流方向的变化曲线主流方向的变化曲线均匀热流密度均匀热流密度 / 均匀壁温均匀壁温uniform heat flux / uniform wall temperature热工学热工学4 4紊流（紊流（Turbulent flow）热工学热工学5 5特征长度；截面平均速度；截面平均温度特征长度；截面平均速度；截面平均温度dcmcAudAuAccpfpAAc t udAtcudA热工学热工学6 62.2. 管内湍流换热计算管内湍流换热计算 迪图斯迪图斯

3、-贝尔特（贝尔特（Dittus-Boelter）公式）公式0.8fff0.023RePrnNu 0.4,n 加热流体0.3,n 冷却流体三大特征量三大特征量特征尺度：内径特征尺度：内径di定性温度：定性温度：tf =(tin+tout)/2特征流速特征流速热工学热工学7 7适用范围适用范围 Ref =104 1.2105，旺盛湍流，旺盛湍流 Prf =0.7 120，包括空气、水、油，包括空气、水、油 l/d60，平均换热系数；如果是短管则需，平均换热系数；如果是短管则需修正修正 边界条件：给定温度或给定热流边界均可边界条件：给定温度或给定热流边界均可 适用于流体与壁面具有中等以下温差的场合适

4、用于流体与壁面具有中等以下温差的场合热工学热工学8 8t = tw - tf气气50水水2030油油10中等温差，非中等温差，非tin - tout思考：思考： 不适用于液态金属：不适用于液态金属：Prf 10-3到到10-2的量级的量级12060tw=50air 热工学热工学9 9应用范围扩大应用范围扩大 短管短管l/d25%，偏差，偏差1，通常为油，通常为油类类)，层流时换热整个管子都可能处于入，层流时换热整个管子都可能处于入口段而未进入充分发展段口段而未进入充分发展段换热的热边界条件对换热影响显著换热的热边界条件对换热影响显著层流充分发展段层流充分发展段Nu与与Re无关无关 Nu=3.6

5、6（恒壁温）；（恒壁温）；Nu=4.36（恒热流）（恒热流）3.3. 管内层流（管内层流（laminar flow）强制对流换热计算）强制对流换热计算 层流换热特点层流换热特点( (Re10消失消失 冲刷方向有影响（冲角）冲刷方向有影响（冲角）热工学热工学2424热工学热工学2525平均换热特性的实验关联式平均换热特性的实验关联式f1f,maxfw2kpmnzPrsNuCRePrPrs 热工学热工学2626 注意：注意： tf、tw、d、umax C、m、n、k、p：表：表4-4（P.158）f1f,maxfw2kpmnzPrsNuCRePrPrs z 由由表表4-5查取（查取（P.159）热

6、工学热工学2727三、自然对流换及其热实验关联式三、自然对流换及其热实验关联式 工程背景工程背景 暖气管散热暖气管散热 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) ) 室外变压器散热室外变压器散热 输电线的散热输电线的散热 电子器件冷却电子器件冷却热工学热工学2828 现象及特点现象及特点定义：定义：不依靠不依靠外力推动，由流体外力推动，由流体自身温度场自身温度场不均匀不均匀所引起的流动所引起的流动驱动力：温度场不均匀驱动力：温度场不均匀 密度的不均匀密度的不均匀 浮浮升力升力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

7、推动与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动换热很弱，但经济、安全、平静换热很弱，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的自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热热工学热工学2929 速度与温度分布的特点速度与温度分布的特点Tw T热工学热工学3030层流层流湍流湍流判别流态的特征数是判别流态的特征数是Gr数数（不是不是(GrPr)） 自然对流的两种流动状态自然对流的两种流动状态 分类分类大空间（边界层不受干扰）大空间（边界层不受干扰）(infinite space)有限空间（空间大小对换热效

8、果有影响）有限空间（空间大小对换热效果有影响）(natural convection in enclosure)TTw Tylaminarturbulentx热工学热工学31 31热工学热工学3232热工学热工学3333 大空间自然对流换热实验关联式大空间自然对流换热实验关联式说明说明 tm=(tw+t)/2 Gr中中V：气体按理想气体处理：气体按理想气体处理V=1/Tm、液体、液体查物性手册查物性手册mmnNuC Gr Pr 特征长度：表面高度特征长度：表面高度H（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）（表表4-6、P.162）热工学热工学3434 竖圆柱可以归

9、为竖壁的条件：竖圆柱可以归为竖壁的条件： 一般一般:1 4,laminar flow1 3,turbulent flown14H35GrdH热工学热工学3535 有限空间自然对流换热实验关联式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竖夹层（双层窗）竖夹层（双层窗）水平夹层（太阳能集热器的空气夹层）水平夹层（太阳能集热器的空气夹层）Tw2Tw1qTw1Tw2Hq热工学热工学3636,Gr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28602430Gr，竖夹层夹层换热为纯导热，水平夹层热工学热工学3737三、对流换热问题举例三

10、、对流换热问题举例1. 在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗？的大小，你认为对吗？2. 请比较准则数请比较准则数Nu和和Bi的异同。的异同。3. 对管内强制对流换热，为什么采用短管和弯对管内强制对流换热，为什么采用短管和弯管可以强化流体的换热？管可以强化流体的换热？热工学热工学38384. 其他条件相同时，对同一根管子进行横向冲其他条

11、件相同时，对同一根管子进行横向冲刷和纵向冲刷，哪一种情况下的表面传热系刷和纵向冲刷，哪一种情况下的表面传热系数大，为什么？数大，为什么？5. 对有限空间的自然对流换热，有人经过计算对有限空间的自然对流换热，有人经过计算得出其得出其Nu数为数为0.5。请利用所学知识判断这。请利用所学知识判断这一结果的正确性。一结果的正确性。6. 电影电影泰坦尼克号泰坦尼克号里，男主人公杰克在海里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释之。幸存下来。试从传热学的观点解释之。热工学热工学39397. 在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的最大？为什么？有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以