8第三章 对流传热

1、第页第页3.3相似原理与量纲分析形成时间：19世纪末，20世纪初。形成原因：急于获得表面传热系数的函数具体表达式。相似原理：几何学中的相似现象引出相似原理。物理现象相似：在相应时刻及相应地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。注意的问题：同类现象才能谈论相似；相关的物理量要一一对应成比例；非稳态。分别论述：同类现象才能谈论相似。同类现象：由相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。比如一种流体与另一流体。要区分同类与类比或比拟。相关的物理量要一一对应成比例。两个对流传热现象相似要求各个物理量对应成比例，各自相似。非稳态。非稳态强调了不同时刻各物理量的空间分布，而稳态不存在相应时刻的问题。

2、以圆管内流体受迫运分布.3圆管内层流充分发展流动的9例，换热面几何形tarLO度分布场相似，速度分布场相似，热物性相似，因此可以进行相似原理的分析。速度场用统一的无量纲U/j以圆管内流体受迫运分布.3圆管内层流充分发展流动的9例，换热面几何形tarLO度分布场相似，速度分布场相似，热物性相似，因此可以进行相似原理的分析。速度场用统一的无量纲U/j-r/rn来进max0行表示。上图的右边为其无量纲图形表达，umax、r0分别表示主流最大流速及最大管径。而u、r则是任一时刻的流速及离管中心的水平距离。相似原理的基本内容.相似物理现象间的重要特性-同名相似特征数相等同名特征数又称为准则数(描述流体特

3、征的无量纲)，凡是彼此相似的现象，准则数必须对应相等。以流体与固体表面的对流传热为例。由对流传热微分方程可知，对于贴壁处存在这样的函数关系：Ihh(tt)yy卬攻f分别以twtf作为温度的标尺，以换热面的某一特征长度l为长度标尺将上式进行无量纲化。则hl1tt)(tt)/(tt)_Iw_IIww于Ittx/1)yx/1)yewf上式右端为无量纲温度场在壁面上的梯度，那么对于两个相似的对流传热现象1与2应有其中定义Nu2为努塞尔数，于是就存在1、2努塞尔数相等，则Nu1Nu2，其中定义努塞尔就称为特征数或称为准则数。2.两个同类物理现象相似的充要条件：(1)同名的已定特征数(由已知量所组成的特征

4、数)相等；(2)单值性条件(对所研究的问题能被唯一确定下来的条件)相似;单值性条件包括：初始条件：初始时刻的物理量分布；边界条件：边界上的温度、速度等条件;几何条件：换热表面的几何形状、位置;物理条件：物体的种类与物性。相似原理的应用：指导试验安排及试验数据的整理，其中数据整理的形式为幂函数形式。如对努塞尔函数表达式比较简单的有：NuCRenNuCRenPrmC，n，m为待定常数，需通过试验数据确定。这种方法的优点，在双对数坐标图上得出一条直线。lgNu=lgC+nlgRe图3.4Nu=CRen双对数图图示分两步走：先得到同一Re准则数下不同种类的普朗特数及努塞尔数，那么可以将C=CRen，利

5、用lgN=lgC+mlgPr图3.4Nu=CRen双对数图图示分两步走：先得到同一Re准则数下不同种类的普朗特数及努塞尔数，那么可以将C=CRen，利用lgN=lgC+mlgPr先得到m的值。然后将式到C，n的值，得到C，先得到m的值。然后将式到C，n的值，得到C，m，n下面来简单介绍一下常见的相似准则数，见书本P241,表6-1。主要要记住3个准则数，分别为Nu、Pr和Re，尤其要注意它们的定义和释义。3.5对流传热实验关联式内部强制对流传热的实验关联式引言：流体与管道之间无非表现为两种形式：管内流动与管外流动。管内流动是受迫的，是一种强制性对流流动，壁面的边界层受管壁的制约，管外流动虽然也

6、是一种强制性流动，但换热壁面上的边界层可以自由发展，不会受到阻碍和制约。1、两种流态前面关于流体的流态已作过介绍，分为层流和湍流，其分界点是以管道直径为特征尺度的临界雷诺数Rec。以2300为界，小于2300为层流，大于10000为旺盛湍流，界于之间为过渡区。2、入口段与充分发展段研究表明，当流体从无限大空间进入圆管时，流动边界层从进口为零开始逐渐增长，直至最后汇合于管子中心线，由于管子与流体间存在温差，所以彼此间存在对流传热，管子壁面上的热边界层也从零增长直至汇合于管子中心线，之换热强度才保持稳定不再发生变化，规定从进口到充分发展之间的区域称为入口段。而后再进入充分发展段。分别以层流与湍流来

7、进行说明。层流流体刚进入管口时，流动边界层此时为0，此时传热效果最好，局部对流传热表面系数最大，但随着流动边界层的增厚，导热传热系数明显下降，直至充分发展段时，h才会不再发生变化。其中讷达到充分发展阶段时的导热系数。A入嚏鲫由岬例娜I、（N那咿占卜即制图3、管内对流传热局部表面传热系数、:的沿程变化湍流一跟层流相比，湍流多了个层流底层后才出现-正常的流动边界层，不过若边界层中出现湍流，湍流的扰动与混合会使局部表面传热系数提高，再趋于一个稳定值。因此，局部对流传热系数先减小后又增大，最终因流动边界层的增后又出现下降，直至最后达到稳定状态。3、两种典型的热边界层-均匀热流与均匀壁温热边界条件：当流

8、体在管内被加热或被冷却时，加热或冷却壁面的热状况称为热边界条件。均匀热流：沿管内轴向与周向热流密度均匀。均匀壁温：沿管内轴向与周向壁面温度均匀。在均匀热流与均匀壁温条件下，流体平均温度与壁面温度的沿程变化图用图示表示如下:图3以层流来进行分析入口段就雕置即twtf,而后当即保持恒定，即，t下:图3以层流来进行分析入口段就雕置即twtf,而后当即保持恒定，即，t，热流与均匀壁温下流体平均温度与壁面温度的沿程变化化规律为先减小后趋向稳定，于是由q=ht可知，当q恒定，h，tW-tf也将保持恒定，即C9udAcIUdAC9udAcIUdA而对于均匀壁温这种边界条件，壁面温度是保持恒定的，由于流体沿程受壁面传热，流体的温度肯定会持续上升，但最终无限逼近1，而不会超过t。4、流体平均温度与壁面的平均温差在计算物性时(比如密度、比热容等)，往往事先要规定一个参数：定性温度，又称为特征温度。它是指工程上为确定物性参数时事