传热学课件第六章单相流体对流换热

1、第六章第六章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式第一节 管内受迫对流换热第二节 外掠圆管对流换热第三节 自然对流换热 作业第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）1.1.进口段与充分发展段进口段与充分发展段1.1.对于流动状态：由对于流动状态：由 Re=uRe=um md/d/ 判断判断 一般：Re104 管内流动为旺盛紊流 2300Re.2.对于换热状态对于换热状态 热进口段：热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后，热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。 热充分发展段：热充分发展段：热进口段后，换热

2、状态定型，已经得到充分发展，故称为。 热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随x是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf）将保持不变，即： 0fwwttttx第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上式变为：fwRrRrfwwttrtttttrConsthttrtttttrfwRrRrfww一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）1.1.进口段与充分发展段进口段与充分发

3、展段2.2.对于换热状态对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有： 上式表明：常物性流体在热充分发展段换热系数h保持不变。这是热充分发展段的重要特性。第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 2.2.对于换热状态对于换热状态Re.2.对于换热状态对于换热状态Re104紊流入口段充分发展段x/dhhhhxx（层流）hx，x边界层转入紊流 c hx，x c不变而 hx，x c不变且=R hx不变。此时hx不变的距离（即进口段长度）：L/d=1045第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）一、定性分析（

4、基本概念）1.1.进口段与充分发展段进口段与充分发展段3.3.长管与短管长管与短管 一般当L/d60时，称为长管，否则按短管计算。4.Pr4.Pr数与流动、热进口段长度的关系数与流动、热进口段长度的关系 流动进口段与热进口段不一定相等。只有当Pr=1Pr=1时时两者才相相等等。 当Pr=Pr= / /11时，相同的x处，t，达到同样的尺寸R时，流动边界层快些，即流动边界比热边界层更快地管中心线闭合，此时，流动进口段比热进口段短流动进口段比热进口段短。 当Pr=Pr= / /11时相反，此时，流动进口流动进口段比热进口段长段比热进口段长。第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 另外，不同

5、断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律与边界条件有关。fRmfVRfrudrudfu00221ppfcmct体的质量单位时间流经该断面流体的焓值单位时间流经该断面流总焓断面RffturdruRdfuctdfucmppft00022一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）2.2.定性参数定性参数1.1.管内流体平均速度管内流体平均速度u um m2.2.管内流体平均温度管内流体平均温度第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）2.2.定性参数定性参数2.2.管内流体平均温度管内流体平均温度常热流通量边界条件：常热流通量边界条件：

6、 如图，此时：twtf 经分析：充分发展段后： tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时，管内流体的平均温度为：进口段充分发展段txtw/tf/tw/tf/2fffttt 其中：tf/、tf/分别为进出口断面流体的平均温度。为方便起见，一般仍将全管流体的平均温度记作tf。第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）2.2.定性参数定性参数2.2.管内流体平均温度管内流体平均温度常壁温边界条件：常壁温边界条件： 设进出口温差分别为t/、t/。 经分析有： 表明tf随x呈对数规律变化。txtw=Consttf/tf/t/t/此时twtf xR

7、uchttmp2exptf（x）ttttttttmt lnlna.a.若若t/ /t/20 据伯努里方程： zg+p/+u2/2=Const dp/dx0 由于P，迫使近壁流体回流。 涡流绕流脱体。 绕流脱体起点：du/dy=0处。 当Re1.5105时，层流，开始随h，到达分离点分离点（=8285左右），发生绕流脱体h； 当Re1.5105时，惯性力大，分离点后移至=140左右，分离点前h的变化同紊流边界层，分离点后分离点后h h又开始回升又开始回升。0dxdp0dxdp分离区puy面一、外掠单管一、外掠单管第二节第二节 外掠圆管对流换热外掠圆管对流换热 相同情况下，顺排的换热效果差。要达到

8、相同的换热效果时，顺排的泵、风机功耗小，但所需换热设备的面积大，故应综合考虑排管方式，以达到较高的经济效益。 另在选取流速时，因qu0.60.8，而泵、风机功耗Wu3，故单纯从经济效益看，低流速可获较高的经济利益。但u换热面积初投资，故存在一最佳经济流速。顺排管束叉排管束二、外掠管束二、外掠管束第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流）一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流） 指热（冷）表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。一般准则方程式可整理成： Nu=f（GrPr） 一般GrPr109时为紊流，否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热，其

9、准则方程式常可整理成： Num=C（GrPr）mn C、n可参见表6=5，注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令：Ra=GrPr RaRa=GrPr Ra为瑞利准则数为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式，常见的为邱吉尔（Churchill）和朱（Chu）总结的式6-19，20。第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热二、有限空间中的自然对流换热二、有限空间中的自然对流换热 流体的流动受周围物体的制约。如双层玻璃窗内空气的自然对流。当tw1tw2时，会产生二次环流。tw1tw2h21wwttqe nmheGrCPr换热为自由流动换热和导热综合作用。引入当量导热系数

10、e，则可有：常可整理成准则方程式形式：式中：定性温度为tm=（tw1+tw2）/2 定型尺寸为： C、m、n见表6-6第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热 e/=Nu 故e/即为有限空间自由对流换热的努谢尔特数。 另外一般地说： 对于：水平夹层：Gre1700时 垂直夹层：Gre2000时21wwttqeh2121wwewwettttqh 均作纯导热处理二、有限空间中的自然对流换热二、有限空间中的自然对流换热 据牛顿冷却公式：q=he（tw1-tw2） he为当量对流换热系数。 可改写成：故有：此时可认为夹层内无环流产生。第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热 当Gr/Re210时：作纯自由流动 当Gr/Re20.1时：作纯受迫流动 当0.1Gr/Re210时：作混合流动 横管内混合对流换热可按下式估算：313431012. 075. 114. 0GrGzGzNuwf 36. 007. 021. 027. 0PrRe69. 4LdGrNu 层流：紊流： 其中Gz=RePrd/L 为格雷茨（Graetz）准则数，定性温度依然是平均温度tm。三、自然对流与受迫对流换热并存