传热学课件第六章 单相流体对流换热

第六章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

作业第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）1.进口段与充分发展段1>.对于流动状态：由Re=umd/判断一般：Re<2300管内流动为层流

Re>104

管内流动为旺盛紊流2300<Re<104

管内流动为过渡状态

流动进口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此时：u=f（x,r）

流动充分发展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发展。此时：

r=0；u/x=0，但u/y≠0。第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）1.进口段与充分发展段2>.对于换热状态热进口段：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：热进口段后，换热状态定型，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：

第一节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：一、定性分析（基本概念）1.进口段与充分发展段2>.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。第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）2>.对于换热状态Re<2300层流状态x/dhhhx入口段充分发展段x↑→↑→hx↓，当=R后，因=R不变，x↑→hx不变。hx→不变时距离，即进口段长度参见式3a、3b。第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）2>.对于换热状态Re>104紊流入口段充分发展段x/dh∞hhhxx↑→（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=10～45第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）1.进口段与充分发展段3>.长管与短管一般当L/d≥60时，称为长管，否则按短管计算。4>.Pr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=1时两者才相等。当Pr=/>1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。当Pr=/<1时，情形正好与Pr>1时相反，此时，流动进口段比热进口段长。第一节管内受迫对流换热

另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律与边界条件有关。一、定性分析（基本概念）2.定性参数1>.管内流体平均速度um2>.管内流体平均温度第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）2.定性参数2>.管内流体平均温度①常热流通量边界条件：如图，此时：tw>tf

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//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。第一节管内受迫对流换热一、定性分析（基本概念）2.定性参数2>.管内流体平均温度②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tw>tftf（x）a.若△t//△t//<2，则：tf=（tf/+tf//）/2b.若△t//△t//≥2，则：tf=tw±△tm其中：第一节管内受迫对流换热

加热气体或冷却液体一般有：

↑→曲线1变成2→边界层加厚→h↓

冷却气体或加热液体一般有：

↓→曲线1变成3→边界层变薄→h↑

另外：t变化会引起、、cp等变化→h产生波动。4.管子几何特征的影响：弯曲管、非圆形管、粗糙管等，因流体流动时产生二次环流等因素，一般使h变大。↑↓一、定性分析（基本概念）3.物性场不均匀的影响第一节管内受迫对流换热二、管内受迫对流换热计算（实验关联式）1.紊流换热：参见教材，注意定型尺寸、定性温度和适用范围。

式6-4a可写成：h=0.023u0.80.6cp0.40.8-0.4d-0.2即：h=f（u0.8、0.6、cp0.4、0.8、-0.4、d-0.2）

到此，找到了h与各影响因素间具体的函数表达式!!!2.层流换热：参见教材，注意定型尺寸、定性温度和适用范围。3.过渡流换热：见教材，注意定型尺寸、定性温度和适用范围。4.粗糙管壁换热：（前章已讲）参见教材，现补充：当流动为紊流可发现：ks/D↑→f↑→h↑，于是在进行换热设备设计时，采用↑ks/D，可减少换热面积→节省设备初投资，但由于此时f↑→风机或泵耗功↑→↑运行费用。

当流动为层流时，↑ks/D或↓ks/D→f不变→h不变。第二节外掠圆管对流换热y面左侧：du/dx>0

据伯努里方程：

zg+p/+u2/2=Constdp/dx<0

y面右侧：dp/dx>0

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Re≤1.5×105时，层流，开始随↑→h↓，到达分离点（=82～85°左右），发生绕流脱体→h↑；

当Re≥1.5×105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h又开始回升。分离区pu∞y面一、外掠单管第二节外掠圆管对流换热相同情况下，顺排的换热效果差。要达到相同的换热效果时，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q∝u0.6～0.8，而泵、风机功耗W∝u3，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、外掠管束第三节自然对流换热一、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（Gr·Pr）

一般Gr·Pr>109时为紊流，否则为层流。对于常壁温的自由流动换热，其准则方程式常可整理成：Num=C（Gr·Pr）mnC、n可参见表6=5，注意使用范围、定型尺寸、定性温度。令：Ra=Gr·PrRa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tw1>tw2时，会产生二次环流。tw1tw2h换热为自由流动换热和导热综合作用。引入当量导热系数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第三节自然对流换热

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：Gre<1700时垂直夹层：Gre<2000时均作纯导热处理二、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。第三节自然对流换热当Gr/Re2≥10时：作纯自由流动