传热学第五章单相流体对流换热准则关联式

1、College of Energy & Power Engineering Heat Transfer 主讲教师：潘振华Email: College of Energy & Power Engineering 第一章 绪 论 第二章 导热基本定律和稳态导热 第三章 非稳态导热第四章 对流换热原理第五章 单相流体对流换热特征数关联式第六章 热辐射基本定律第七章 辐射换热计算College of Energy & Power Engineering Heat Transfer 主讲教师：张彭岗联系电话mail: College of Energy & Power Engi

2、neering 第一章 绪 论 第二章 导热基本定律和稳态导热 第三章 非稳态导热第四章 对流换热原理第五章 单相流体对流换热特征数关联式第六章 热辐射基本定律第七章 辐射换热计算College of Energy & Power Engineering 第五章第五章 对流换热准则关联式对流换热准则关联式5.1 5.1 管内强迫对流换热管内强迫对流换热 5.2 5.2 外掠物体时的强迫对流换热外掠物体时的强迫对流换热 5.3 5.3 自然对流传热自然对流传热 College of Energy & Power Engineering 5.1.1 湍流（ ） 4Re101. 流动和换热分析流动和

3、换热分析分类：分类： College of Energy & Power Engineering 换热分析换热分析 ： 管内局部对流换热系数管内局部对流换热系数 hx 沿程变化情况（湍流）沿程变化情况（湍流） College of Energy & Power Engineering 2. 管内流动换热计算管内流动换热计算 准则关联式：准则关联式： 0.80.40.023RePrfffNu 适用条件：流体与壁面具有中等以下温度差的场合 ； 定型尺寸：管内径d 非圆管采用当量直径de ； 50t 20t 如介质为空气时：如介质为空气时： 介质为水时：介质为水时： 4eAdU4Re10f0.7Pr

4、120f/60L d College of Energy & Power Engineering 定性温度：用来确定流体物性的温度 ； 2ffftttRefPrffNuffNuhdCollege of Energy & Power Engineering 0.80.40.023RePrtlfRffNuc c ctc0.5tfwcTT温差修正系数温差修正系数 ： 它是考虑到流体与壁面间存在较大温差时，对关联式作的修正。 对气体被加热时对气体被加热时当气体被冷却当气体被冷却时时对液体对液体mtfwc 1tc液体受热时 m0.11 液体受冷时 m0.25 College of Energy & Po

5、wer Engineering lc管长修正系数管长修正系数 ： 当 时，称之为长管，虽然进口处的 h 较大，但管较长，可忽略进口段的影响，而对于 的短管，就必须予以考虑 。 /60L d /60L d 0.71ldcL College of Energy & Power Engineering Rc弯管修正系数弯管修正系数 ： 考虑到流体在弯曲管道或螺旋管内流动时，在离心力的作用下，形成二次流后，对换热所起的增强作用 。 对于气体：对于气体：3110.3Rcd R对于液体：对于液体：11.77Rcd RCollege of Energy & Power Engineering 5.1.2 层

6、流（ ） Re22001. 流动和换热分析流动和换热分析管内层流边界层的形成和发展管内层流边界层的形成和发展 College of Energy & Power Engineering 管内局部对流换热系数管内局部对流换热系数 hx 沿程变化情况（层流）沿程变化情况（层流） College of Energy & Power Engineering 2. 管内流动换热计算管内流动换热计算 赛德尔赛德尔塔特关联式：塔特关联式： 定型尺寸：管内径d Re2200fPr0.5f 0.141/31.86 RePrffffwdNul 适用条件： Re Pr10ffdl定性温度：流体的算术平均温度。 Co

7、llege of Energy & Power Engineering 在工程中，除了圆管，扁管和椭圆管也是用的比较多的换热管，圆管和椭圆管相比，在流过横截面积相等的情况下，椭圆管的当量直径小于圆管直径，因此椭圆管内的换热性能要优于圆管。 但是，椭圆管的制造工艺复杂且承压能力有限，这一问题也限制了椭圆管翅片式换热器的普及应用。 College of Energy & Power Engineering 椭椭 圆圆 管管College of Energy & Power Engineering 扁管的应用扁管的应用汽车中冷器汽车中冷器College of Energy & Power Engin

8、eering 对于扁管和椭圆管这样的非圆形截面通道，上述的公式都是能用的，只是定型尺寸，也就是当量直径要采用下式进行计算：4eAdUab对于扁管：2eabda bCollege of Energy & Power Engineering 5.2.1 纵掠平壁 55 10cx层流底层层流底层College of Energy & Power Engineering 定性温度：边界层的平均温度 1. 层流准则关联式层流准则关联式 1/21/30.332RePrxxmxmxmmh xNu1/21/30.664RePrmlmmmNuh l 定型尺寸：板长 l （x） 适用条件： 0.6Pr50m5Re

9、5 10l （临界雷诺数临界雷诺数 ）2wmtttCollege of Energy & Power Engineering 对于这里讲的紊流指的是从平壁 x 0处就开始直接形成湍流边界层的情况，当然这是一个假象的情况，即当紊流的湍流度很大的情况（来流在外掠平板前流过绕流格栅），Colburn利用比拟法得出了hx 和 h 的准则关联式：2. 紊流准则关联式紊流准则关联式 4/51/30.0296RePrxxmxmxmmh xNu4/51/30.037RePrmlmmNu College of Energy & Power Engineering 适用条件： 0.6Pr50m5Re5 10l 3

10、. 混合边界层的准则关联式混合边界层的准则关联式 在恒壁温条件下，h是以xc为界分两部分积分再求平均值，即： 01ccxllxtxxhh dxh dxlRecmmcxuCollege of Energy & Power Engineering 1/30.50.80.8Pr0.664Re0.037Re0.037Remmcmlmcmhl 适用条件： 0.6Pr50m585 10Re10l5.2.2 横掠单管 流体绕流管子这样的圆柱外表面时，最大的特点就在于边界层流体压力沿流动方向将发生变化，从而导致流体横掠单管的特殊边界层流动现象边界层分离。 College of Energy & Power E

11、ngineering 1. 流动和换热特点流动和换热特点圆柱绕流圆柱绕流College of Energy & Power Engineering 分离点的位置分离点的位置 ：5Re1.4 105Re1.4 1080 85边界层在脱离前就转变为紊流 140层流边界层College of Energy & Power Engineering 横掠单管局部对流换热系数的变化情况横掠单管局部对流换热系数的变化情况College of Energy & Power Engineering 2. 准则关联式准则关联式 1/30RePrnmmmmh dNuC 定型尺寸：管外径do定性温度：边界层的平均温度

12、 2wmttt 计算流速：来流流速uCollege of Energy & Power Engineering 准则关联式中的系数准则关联式中的系数C 和和 nCollege of Energy & Power Engineering 5.2.3 横掠管束 横掠管束实例一横掠管束实例一管壳式换热器管壳式换热器College of Energy & Power Engineering 管式空气预热器管式空气预热器空气空气高温烟气高温烟气College of Energy & Power Engineering 跟单管相比，横掠管束时不仅受管径、流速的影响，还受到管间距、管排数以及管束排列方式等因

13、素的影响，因此比换热过程要比单管复杂多了。 College of Energy & Power Engineering Fluent模拟的温度场和速度场模拟的温度场和速度场College of Energy & Power Engineering 顺排和叉排时的流动现象顺排和叉排时的流动现象College of Energy & Power Engineering 除排列方式外，管排数N，管径、管间距s1、s2都是在分析时所要考虑的因素，这些影响因素在我们推荐的准则关联式中都应该有所反映。 准则关联式：准则关联式： 1max2PrRePrPrkpfmnfffzwsNuCC Cs 适用条件： 定

14、性温度：流体的算术平均温度 ； 0.7Pr500f 定型尺寸：管外径do122ffmtttCollege of Energy & Power Engineering 计算流速：管间最大流速umax顺排：顺排：1max1suusd叉排：叉排：1max1suusd1max32suusdmaxmaxReofudCollege of Energy & Power Engineering College of Energy & Power Engineering 管翅式换热器管翅式换热器College of Energy & Power Engineering 针状翅片管针状翅片管College of

15、Energy & Power Engineering 各种形状的翅片管各种形状的翅片管College of Energy & Power Engineering 1. 概述概述 流动起因：由于不均匀的温度场，引起密度的不均匀，并在重力下产生浮升力。College of Energy & Power Engineering 流动不均匀的温度场，不一定引起自然对流 。说明：说明： 该空腔上热下冷，存在温度差，但是没有自然对流产生 。 College of Energy & Power Engineering 2. 分类分类 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

16、换热 3. 流动和换热特点流动和换热特点 竖壁自然对流换热示意图竖壁自然对流换热示意图College of Energy & Power Engineering 4.大空间自然对流换热特征关联式大空间自然对流换热特征关联式 恒壁温：恒壁温：PrnmmNuC Gr式中：Gr 称为格拉晓夫数，其表达式为：33vcgtlGr 适用条件：恒壁温条件 定性温度：流体的算术平均温度 定型尺寸：竖壁高度l2wmtttCollege of Energy & Power Engineering 常见自然对流换热的定性尺寸和常见自然对流换热的定性尺寸和C、nCollege of Energy & Power En

17、gineering 恒热流：恒热流： 工程上有时会遇到自然对流传热表面热流密度为常数的情况，如电子元器件表面的自然对流冷却。College of Energy & Power Engineering 有限空间自然对流有限空间自然对流College of Energy & Power Engineering 例1：温度tf2 = 900的烟气以 u10 m/s的速度外掠单管，圆管外径 d238 mm，内径 d132 mm，钢材导热系数= 50 W/(m.K) 。管外壁温 tw = 300 ，管内是水，水温 tf1 = 200 ，管内壁与水的表面换热系数 h1 = 2300 W/(m2.K) 。试求每米管长的传热量l。 College of Energy & Power Engineering 附附1：准则方程式：准则方