第十章强迫对流.

1、Heat Transfer10-5 强迫对流换热Forced Convection heat transfer 管内流动 Internal 外部流动 ExternalHeat Transfer 管内流动 换热器的管侧流体流动与换热 轮机叶片内的冷却流道内的流体流动与换热 等 外部流动 换热器的壳侧流体流动与换热 轮机叶片表面的流体流动与换热 等Heat Transfer10-5-1 管内强迫对流换热我们已掌握我们已掌握 边界层理论, N-S方程组我们接下来要做什么我们接下来要做什么: 建立管内流动对流换热特征数关联式roHeat Transfer1、管内流动的流态、管内流动的流态层流：层流：过

2、渡区：过渡区：湍流：湍流：Re23002300Re1000010000ReHeat Transfer 2 2、 入口段与充分发展段入口段与充分发展段 流动入口段与充分发展段流动入口段与充分发展段 对于管内等温层对于管内等温层流，流动充分发展段流，流动充分发展段具有以下特征：具有以下特征： (a) (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零；沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布； (c) (c) 沿流动方向的压力梯度不变，阻力系数沿流动方向的压力梯度不变，阻力系数f f 为常为常数数 ll管长；管长；

3、d d管内管内径径 Re64f22udlfp/0.05 Re Prld流动进口段长度：流动进口段长度：Heat Transfer 热入口段与充分发展段热入口段与充分发展段: 进口段边界层沿进口段边界层沿x方向由薄变厚，方向由薄变厚，hx由大变小，对流换由大变小，对流换热逐渐减弱。热逐渐减弱。 入口段的热边界层薄，表面传热系数比入口段的热边界层薄，表面传热系数比 充分发展段高。充分发展段高。 热入口段长度热入口段长度:/0.05 Re Prld/60ld层流层流湍流湍流Heat Transfer0fwwttttx.conshttttrxRrfww对于常物性流体，由上式可得对于常物性流体，由上式可

4、得hx为常数。这一结论对为常数。这一结论对于管内层流和湍流、等壁温和常热流边界条件都适用于管内层流和湍流、等壁温和常热流边界条件都适用Heat Transfer边界条件边界条件:1、第一类：常壁温、第一类：常壁温 2、第二类：常热流、第二类：常热流Heat Transfer 牛顿冷却公式中牛顿冷却公式中 tf流体特征温度流体特征温度 对常热流边界条件对常热流边界条件 平均温差平均温差: (1) 对长管（入口段可忽略）的充分发展段，采用管子对长管（入口段可忽略）的充分发展段，采用管子出口处流体温差出口处流体温差 (2) 对于短管，入口段不可忽略，可近似取进出口温差对于短管，入口段不可忽略，可近似

5、取进出口温差的算术平均值的算术平均值)(thtthqfw)(21fffttt)(21tttHeat Transfer 对常壁温条件对常壁温条件 lnttttt入口入口出口出口对数平均温差对数平均温差Heat Transfer管内层流管内层流充分发展段充分发展段的对流换热系数的对流换热系数Heat Transfer续表续表Heat Transfer Heat Transfer 定性温度为流体的平均温度定性温度为流体的平均温度 （ 要按壁面温度要按壁面温度 查取查取 ），定性长度为管子内径，应用于常壁温的条件），定性长度为管子内径，应用于常壁温的条件应用条件应用条件，0.0044 9.75fw。0

6、.141 / 3RePr2/fffwldPr0.48 16700,fftwwt管内层流管内层流 入口段入口段Sieder-Tate equation 齐德泰特公式齐德泰特公式:0.141 / 3RePr1.86/ffffwNuldHeat Transfer 管内湍流换热管内湍流换热 Dittus-boelter equation 迪贝斯贝尔特公式：迪贝斯贝尔特公式： 加热加热 ， 冷却冷却 。定性温度为流体的平均温度定性温度为流体的平均温度 ，定性长度为管子内径，用于常定性长度为管子内径，用于常壁温的条件壁温的条件应用条件应用条件 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合此式适用与流体与壁面具

7、有中等以下温差场合。0.80.023 RePrnfffNu 0.4n 0.3nft45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f。/60ldHeat Transfer对于温差相差较大的情况对于温差相差较大的情况:（1） Dittus-boelter 修正式修正式加热气体，加热气体，冷却气体，冷却气体，液体液体:0.80.023 RePrnffftNuc0.5ftwTcT 。1tcmftwc0.11m0.25m加热加热冷却冷却Heat Transfer（2 2）SiederSieder-Tate -Tate 公式：公式： 应用条件应用条件0.140.81 / 30.027 RePrffff

8、wNu，/60l dPr0.7 16700,f。4Re10fHeat Transfer（3 3）米海耶夫公式：）米海耶夫公式： 0.250.80.43Pr0.021 RePrPrffffwNu，/50l dPr0.6 700,f。46Re10 1.7510fHeat Transfer 由于流体温度不均匀带来的管内速度分布的畸变由于流体温度不均匀带来的管内速度分布的畸变 修正系数修正系数或（(/)Pr / Pr )nnfwfwHeat Transfer 如果管内流道为非圆形，如果管内流道为非圆形，当量直径当量直径 Hydraulic diameter Ac 为流道截面面积为流道截面面积. P 为

9、流体湿润周边长度为流体湿润周边长度. 4ceAdPHeat Transfer 11.77rdcR3110.3rdcR 弯管弯管强化换热强化换热 液体液体 气体气体入口入口, Entrance region for edge entrance 0.71ldclHeat Transfer当当 Pr0.6 对流换热系数特征数关联式对流换热系数特征数关联式 热边界层厚度热边界层厚度对于第二类边界对于第二类边界.averageNuhlNulocalxhNuxxxx31213121PrRe664. 02PrRe332. 0averagehlNulocalxhNuxxx31213121PrRe680. 0P

10、rRe453. 031PrtHeat Transfer当当 l xc ，为层流和湍流并存的情况，为层流和湍流并存的情况：平均对流换热系数平均对流换热系数hm :dxxudxxulhlxxmcc3154021210296. 0332. 031545421Pr)Re(Re037. 0Re664. 0ccmNu临界雷诺数临界雷诺数 ，则，则5105Rec3154Pr871Re037. 0mNu113241530.332Re Pr0.0296Re PrcxcxxxNuxxNu时，层流，时，湍流，Heat Transfer2、外掠圆管和管束、外掠圆管和管束压力降低压力降低0 xP压力升高压力升高0 xP

11、驻点驻点脱体点脱体点尾迹尾迹Heat Transfer 边界层过渡边界层过渡 湍流时，边界层内流体动量更大，脱体扰动也更强烈湍流时，边界层内流体动量更大，脱体扰动也更强烈5102 . 1Re5102 . 1ReHeat Transfer外掠单管时的对流换热外掠单管时的对流换热 对流换热系数特征数关联式由试验得到对流换热系数特征数关联式由试验得到局部局部NuHeat Transfer平均平均NuHeat Transfer 通常，我们关心的是在整个表面的通常，我们关心的是在整个表面的平均平均Nu Zhukauskas 公式公式 定性温度：主流区温度定性温度：主流区温度t, Prw ：壁温下查取：壁

12、温下查取. C, n 表表10-2 m：Pr10，m=0.36; Pr10,m=0.3764110Re1500Pr7 . 0 :for Valid PrPr Pr Re ffwfmfnffCDhNuHeat Transfer或或, ,式中：式中：C C及及n n的值见下表；定性温度为的值见下表；定性温度为特征长度为管外径；特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度数的特征速度为来流速度实验验证范围：实验验证范围： ， 。1 / 3RePrnNuC()/ 2;wttRe。u15.5 982t 21 1046wtHeat Transfer对非圆柱物体对非圆柱物体Heat Transfer 上述公式

13、对于实验数据一般需要分段整理。上述公式对于实验数据一般需要分段整理。 邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。个实验范围内都能适用的准则式。 式中：定性温度为式中：定性温度为 适用于适用于 的情形。的情形。4/55/81/21/32/3 1/40.62RePrRe0.312820001(0.4/Pr)Nu()/ 2,wttRe Pr0.2Heat Transfer外掠管束的对流换热外掠管束的对流换热 通常为交叉流通常为交叉流 管束排列可分为顺排和叉排管束排列可分为顺排和叉排 描述管束排布的参数包括：管子直径描述管束排布的参数包括：管子直径D, 横向间距横向间距S1，纵，纵向间距向间距S2 Heat TransfernwffmffCNu25. 036. 0PrPrPrRe0.6r500102Re1 :6P适用于C, m表表10-3n表表 10-4定性温度：管束进出口流体平均温度定性温度：管束进出口流体平均温度Heat Transfer 例题：在一锅炉中，烟气横掠例题：在一锅炉中，烟气横掠4排管组成的顺管束，已知排管组成的顺管束，已知管外径管外径d60mm，s1/d=2, s2/d=2, 烟气平均温度烟气平均温度tf=600,tw=120.