第4章-对流换热-2

1第四章对流传热的理论基础和工程计算一、对流传热的理论基础二、对流传热的工程计算管槽内强迫对流传热4.5外部强迫对流传热4.6（不做要求）自然对流传热4.7

熟悉它们的特点及影响因素，掌握利用特征数方程式进行对流传热计算。

2（一）

管槽内强迫对流传热（4.5节）二、对流传热的工程计算管槽的截面：

圆形-内径d

非圆形-当量直径de3（一）

管槽内强迫对流传热（4.5节）1、概述流态：二、对流传热的工程计算流动与换热特征流动边界层（受流动空间限制）热边界层层流流动4管内流动—速度边界层及速度分布曲线（一）管槽内的强制对流传热层流

旺盛湍流内部流动的首要问题—确定流动入口段

（取决于流态）湍流流动层流流动5—局部表面传热系数沿管长的变化（一）管槽内的强制对流传热

常物性流体hx=常数常物性流体hx=常数流动和换热同时达到充分发展段管内对流传热层流湍流6（a）恒热流边界条件（b）恒壁温边界条件流体截面平均温度沿管长的变化规律（一）管槽内的强制对流传热tm—沿整个换热面的积分平均值热边界条件不同，取法不同。线性变化指数函数变化管壁与流体间的平均温差7关于管槽内强迫对流传热实验关联式的说明（一）管槽内的强制对流传热8（1）层流对流传热（一）管槽内的强制对流传热2、管槽内强制对流传热计算齐德-泰特Sieder-Tate公式，，理论分析常物性流体hx=常数9管内层流换热的实验关联式

——充分发展段的层流对流传热考虑自然对流影响的管内层流强迫对流传热需要指出的是，只有在管径和温差均较小而粘性又较大、流速又较低时才有可能出现严格的层流传热。其它情况下往往伴随着自然对流传热，特别是在石油工程中，这种混合对流传热的情形更为常见。实验关联式为：式中，Grf称格拉晓夫数。实验验证范围：GrfPrf>5×102，Ref<200010122、管槽内强制对流传热计算

（2）湍流对流传热适用范围：

1）迪特斯－波尔特（Dittus-Boelter）公式长管、直管、中等温差（一）管槽内的强制对流传热湍流边界层具有三层结构模型：热阻集中在层流底层。层流底层厚度极薄，温度梯度很大，湍流的换热强度远超过层流。湍流换热剧烈，热边界层条件的影响可忽略不计[液态金属除外]。工程中最为常见132、管槽内强制对流传热计算（2）湍流对流传热适用范围：

1）迪特斯－波尔特（Dittus-Boelter）公式长管、直管、中等温差（一）管槽内的强制对流传热14如何有效地强化传热？2、管槽内强制对流传热计算（2）湍流对流传热15几点说明（一）管槽内的强制对流传热范围扩大，进行修正！16入口段效应：入口段的传热效果好，表面传热系数较高。管子较短时，必须考虑入口段的影响。（一）管槽内的强制对流传热17弯管效应：

当流体在弯曲管道内流动时，由于离心力的作用，会产生垂直于主流方向的二次环流，加强了管内边界层的扰动和混合，从而使换热增强。

弯管曲率半径R越小，流速越大，二次环流的影响越大。（一）管槽内的强制对流传热弯管的二次环流18流体物性随温度变化的影响：

流体温度场的不均匀，会引起物性场不均匀。

其中粘度随温度的变化最大。粘度场的不均匀会影响速度场，因此影响对流传热。（一）管槽内的强制对流传热液体：主要是粘性随温度变化气体：除粘性，还有密度和热导率等速度畸变19管内湍流对流传热—其他实验关联式适用范围：2）齐德－泰特Sieder-Tate公式

（一）管槽内的强制对流传热203）格尼林斯基Gnielinski公式适用范围：阻力系数：物性随温度变化的修正系数：（一）管槽内的强制对流传热管内湍流对流传热—其他实验关联式迄今计算准确度最高的实验关联式21以上所有方程仅适用于Pr>0.6的气体或液体。对于Pr数很小的液态金属，换热规律完全不同。推荐光滑圆管内充分发展湍流传热的准则式：均匀热流边界

实验验证范围：均匀壁温边界实验验证范围：特征长度：内径定性温度：流体平均温度。22由于流动的不稳定性，与层流和湍流相比，很难找到既简便又精确的计算公式。在工程设计上，从系统可靠性而言，如果有可能也往往避开过渡区。豪森Hausen推荐公式：

适用范围：2300<Ref<6000特别适用于粘性流体（3）过渡流对流传热2、管槽内强制对流传热计算（一）管槽内的强制对流传热入口段效应23强迫对流传热计算的步骤（1）首先判断所求问题是哪一类换热？

有相变or无相变？自然对流or强制对流？内部流动or外部流动？各类对流传热都有专用的实验关联式（非常重要）（2）正确选择定性温度、特征尺度和特征速度。（3）计算Re数，判断流态；选择合适的实验关联式进行计算。注意事项：三大特征量的选取；牛顿冷却公式中的温差定义；关联式计算的是：局部hx还是平均h?

实验关联式的适用范围，原则上不能外推；

范围扩大必须进行修正。（一）管槽内的强制对流传热2425（二）外部强迫对流传热（4.6节）例子：很多！

空气纵掠飞机机翼（+摩托车引擎的壳体）、风吹过热力管道（+太阳能集热器表面+地面）、锅炉烟气掠过管束、流体横掠管束等等。

1.流体外掠平板

2.流体横掠单管

二、对流传热的工程计算

外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能够自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。26局部表面传热系数的变化趋势

边界层加厚（导热）流体扰动加剧边界层加厚1、流体外掠平板缓冲层湍流核心（二）外部强迫对流传热27流态的判断—雷诺准则Re数

临界距离xc

：边界层从层流开始向湍流过渡的距离。——其大小取决于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定度。——由实验确定的临界雷诺数Rec给定。

（二）外部强迫对流传热——流体外掠平板28（二）外部强迫对流传热——流体外掠平板(1)层流对流传热

l(1)定性温度：热边界层的平均温度tm(2)特征长度：下角标x—长度x；下角标l—板长l。(3)特征速度：来流速度u∞。29（二）外部强迫对流传热——流体外掠平板(2)湍流对流传热

30（二）外部强迫对流传热——流体外掠平板31

*******

恒热流平板*******

恒热流平板湍流边界层内的局部努塞尔数比恒壁温情况高约4%。（二）外部强迫对流传热——流体外掠平板

恒热流加热或冷却在工程中有广泛的应用背景，如电子元器件的散热，需要计算壁面温度。试算法32

2、流体横掠单管1）流动和传热特点所谓横掠单管，是指流体沿着垂直于管道轴线的方向流过管道的外表面。当流体横向掠过单管时，流体接触管面后从上、下两侧绕过，并在管壁上形成边界层，有层流和湍流两种。但流体沿曲面流动与沿平面流动不同。由于沿程流体压力的变化，壁面上的边界层会产生脱离现象；分离点后的流体产生涡街。流体流动状态与雷诺数Re有关。来流速度圆管外直径流体的运动粘度（二）外部强迫对流传热33实验表明：Re<5，流体平滑、无分离地流过圆柱表面；Re>5

，流体绕流圆柱时边界层发生脱体现象，形成涡街。

这是由于粘性流体流过圆柱时流速和压力的变化造成的。

脱体点的位置取决于Re数大小：

边界层为层流，脱体点在=80º~85º处；边界层先从层流转变为湍流，流体的动能较大，脱体点向后推移到=140º处。（二）外部强迫对流传热——流体横掠单管34123456（二）外部强迫对流传热——流体横掠单管35对流传热规律：取决于边界层的发展和分离。局部表面传热系数h变化呈现复杂的细节，随角和Re数而变化规律如图所示。

当Re数较小时，边界层为层流，Nu随角的增加而减小；随着边界层分离出现涡流，Nu回升。

当Re数较大时，边界层出现湍流，Nu有两次回升，第一次因层流转变为湍流，第二次由于边界层脱体。

注意：脱体点处的局部表面传热系数最小，换热最差。平均表面传热系数h：

具有明显的渐变规律。（二）外部强迫对流传热——流体横掠单管层流湍流36表4-3式中常数C和.n的数值（分段）2）流体横掠单管对流传热的实验关联式(1)定性温度：流体与壁面的平均温度tm，即(2)特征长度：圆管外直径d。(3)特征速度：来流速度uf。RemCn0.4~40.9890.3304~400.9110.38540~40000.6830.4664000~41040.1930.6184104~41050.0270.805（二）外部强迫对流传热——流体横掠单管37表4-4式中常数C和.m的数值(分段)流体横掠单管对流传热的实验关联式(1)定性温度：以壁温tw确定Prw；其他按主流温度选取。(2)特征长度：圆管外径d。(3)特征速度：来流速度uf。RefCm1~400.750.440~10000.510.5103~21050.260.62105~1060.0760.7（二）外部强迫对流传热——流体横掠单管38流体横掠单管对流传热的实验关联式(1)定性温度：热边界层平均温度。(2)特征长度：圆管外径d。(3)特征速度：来流速度uf。（二）外部强迫对流传热——流体横掠单管例题4-6第115-116页393、

流体横掠管束更为复杂。

叉排的平均表面传热系数要比顺排大，但流动阻力也比顺排大。计算采用准则方程式进行，注意：（1）特征速度umax为流体的最大流速；（2）特征长度取管外径d；（3）对于流体沿轴向流过管束时的换热系数，可采用管内湍流换热公式，但特征长度应取当量直径de。（二）外部强迫对流传热4041强迫对流传热的典型计算题（一）计算表面传热系数（二）计算对流传热面积A或管长l（三）计算流体温度。试算法关键—计算表面传热系数h。二、对流传热的工程计算第一类：求表面对流传热系数h—关键选实验关联式一、确定定性温度，查出流体物性参数。二、计算过程：1．求Re数，判断流态；2．选择合适的实验关联式；3．计算Nu数，求出表面传热系数h。42强迫对流传热的典型计算题二、对流传热的工程计算[例题4-3]第108-109页第二类：求换热面积A或长度L—关键求h一、求解表面传热系数h；二、根据热平衡方程，求得A或L；

三、校核管长：L/d>60是否成立；否则管长修正。43强迫对流传热的典型计算题二、对流传热的工程计算[例题4-4]第109-110页第三类：求流体温度tf”（或tf’）—采用试算法1、先假定一个温度tf”（或tf’）；2、以tf为定性温度，计算h；3、根据热平衡方程，求出tf”计算值；4、与假定值比较，若满足精度，结果可靠；

否则以tf”计算值为假定值，重复计算，直至满足精度。44强迫对流传热的典型计算题二、对流传热的工程计算[例题4-5]第110-111页管内强迫对流传热—试算法的应用在对流传热的计算中试算法是经常遇到的。除了流体出口温度未知需要采用试算法外，还需采用试算法的情形包括：（1）管长未知。可先按长管计算，求出表面传热系数h’后，根据热平衡算出管长。若L/d>60，计算有效；否则，求得cl，h=clh’。一般试算一次即可。（2）管内壁温度未知。先按ct=1求出h’，然后根据热平衡求出管内壁平均温度，计算ct，则h=cth’。一般试算一次即可。（3）流体流速未知。先假设流速u’，计算Re数判断流态，选用适当公式计算出h’。然后根据热平衡求出新的流速u”。

若u’和u”接近，计算结束，取u”或（u’+u”）/2作为计算结果；

若二者相差较大，则以u”代替u’，重新计算，直到接近为止。（4）管内径d未知。假设管内径d

’，试算步骤与（3）相似。45二、对流传热的工程计算46二、对流传热的工程计算47二、对流传热的工程计算48二、对流传热的工程计算49二、对流传热的工程计算直管大温差修正管长L未知？

假设长管

校核：!J/(kgK)算术平均温差50教材有误！51

例题：在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流过内径为10mm、长度为3m的铜管，冷却水的进、出口温度分别为15℃和65℃。

试计算管内表面传热系数。解：这是一个圆管内强迫对流传热问题。管壁温未知从附录13中，查得水的物性：λf=0.635W/(m.K)，vf=0.65910-6m2/s，Prf=4.31定性温度：取冷却水的平均温度计算雷诺数，判断流态：

为旺盛湍流。

选择实验关联式计算h：

流体被加热n=0.4L/d=3/0.01>60长直管

壁温未知，假设中等温差校核：温差是否满足？

热平衡方程二、对流传热的工程计算52核对温差：

对于水，中等温差t<20-30：

（1）可认为在范围内，不需修正。结果：h=5803.9W/(mK)（2）可认为是大温差，需要温度修正。

查水的物性：f=653.310-6kg/(m.s)，w

=381.85610-6kg/(m.s)二、对流传热的工程计算53作业：仔细阅读例题4-3、4-4、4-5、4-74-12（管内强迫对流传热-湍流例4-3）4-15（管内强迫对流传热-层流例4-4）

已知质量流量qm，求出流速u！4-18（外部强迫对流，外掠平板和横掠单管）4-20*（横掠单管与自然对流）选做4-22*（自然对流传热，水平部分-横管；垂直部分-竖管）选做

注意：特征长度的选取

4-25（自然对流传热，水平暖气管道，外径-外直径）4-26*

（自然对流传热，平躺散热量大些，感觉更冷！）选做二、对流传热的工程计算554-7自然对流传热1、自然对流传热的特征（1）产生原因温度差密度差浮升力自然对流换热

举例：

①输电导线、变压器、电热炉等外表面的散热；②各种电子元器件表面的散热（无专门冷却设备时）；③各种热设备、热力管道等在环境中的散热（无风时）；④大量热加工工艺过程中工件的冷却等等。

特点：不消耗动力，在工业和日常生活中发挥着重要作用。

研究目标：确定表面传热系数。二、对流传热的工程计算56

（2）竖直壁面的自然对流传热1）特点温度分布—单调下降速度分布—“两头小、中间大”

原因：贴壁处流体速度为零；边界层外端无温差，浮升力消失；二者之间有一峰值。

3)换热规律

从换热壁面下端开始，随着层流边界层的加厚，hx逐渐减小，当边界层从层流向紊流过渡时又增大。在旺盛湍流阶段，hx基本上不随壁面高度变化。自然对流传热2）流态层流（下端）过渡流湍流（上端）水平圆柱周围空气的自然对流57tf自然对流传热58

(3)分类

根据自然对流边界层的形成和发展是否受周围空间的限制：

大空间自然对流传热有限空间自然对流传热

无温差就不会有自然对流；

但有温差也并非一定会引起自然对流。

tw>tf

tw<tf

重点掌握导热导热自然对流传热59边界层微分方程组连续性微分方程：

动量微分方程：能量微分方程：对流换热微分方程：稳态情况2、自然对流传热的特征数方程体积膨胀系数越大或温差越大，浮升力也就越大，自然对流越强。只有重力时，单位体积流体的浮升力：自然对流传热603、大空间自然对流传热的实验关联式1）恒壁温条件下定性温度：流体与壁面的平均温度tm，即常数c和n：主要受壁面形状、位置、流态等因素影响。

由实验确定，见表4-5。自然对流传热特征长度lc：不同情况取法也不同，具体见表4-5。61自然对流传热A/Plc习题4-2662表4-5式（4-87）中的C和n的值换热面形状和位置适用范围Cn定型尺寸竖平板和竖圆柱（管）1.43×104<Gr<3×1090.591/4高L3×109<Gr<2×10100.02920.39Gr>2×10100.111/3水平圆柱（管）1.43×104<Gr<5.76×1080.481/4直径d5.76×108<Gr<4.65×1090.01650.42Gr>4.65×1090.111/3水平平板热面向上或冷面向下105<GrPr<1070.541/4lc=A/P107<GrPr<10110.151/3热面向下或冷面向上105<GrPr<10100.271/4lc=A/P

壁面热流密度给定，但壁面温度未知，并且沿壁面分布不均匀，往往需要确定局部壁面温度。

对于垂直壁面，引进一个修正的局部格拉晓夫数：定性温度：壁温twx未知，采用试算法。3、大空间自然对流传热的实验关联式2）恒热流条件下电子、电气元件自然对流自然对流传热教材第120页混合对流传热自然对流和强迫对流同时存在的对流传热。表示浮升力与惯性力相对大小的准则：判断自然对流传热影响程度的依据。64公式（4-57）第105页654-8凝结与沸腾传热自学为主新特点——伴有相变的对流换热1、相变对流换热的特点（1）流体饱和温度保持不变，流体发生相变。（2）在相对较小温差下，达到较高强度的放热和吸热目的。2、凝结换热的定义、分类及其特点（1）膜状凝结（很好地润湿壁面铺成膜，实际应用）（2）珠状凝结（小液珠，换热强烈！）3、膜状凝结的主要影响因素不凝性气体、蒸汽流速及流动方向、壁面表面状况4、沸腾换热的定义、分类。按液体流动：大容器沸腾（池内）和强制对流沸腾（管内）按液体温度：过冷沸腾（液体温度低于饱和温度）

饱和沸腾（液体温度等于饱和温度）5、大容器沸腾换热的四个不同区域。思考题30—35二、对流传热的工程计算

竖壁上的凝结模式66凝结与沸腾传热

大气压力下饱和水在水平面上的沸腾曲线竖直管内的沸腾传热67

小结

重点掌握：

（1）对流传热的影响因素；

（2）对流传热的数学描述；

（3）边界层概念、特征及其意义；

（4）对流传热问题解的形式—特征数关联式；

（5）Nu、Re、Pr、Gr表达式及其物理意义；

（6）单相流体管内强迫对流、外掠平板、横掠单管以及自然对流传热的特点及其影响因素；

（7）能够利用实验关联式计算对流传热问题。对流传热68对流传热计算需要注意的问题（