06章-单相流体对流传热课件

第六章单相流体对流传热6.1管内受迫对流换热6.2外掠圆管对流换热6.3自然对流换热第六章单相流体对流传热6.1管内受迫对流换热2/276.1管内受迫对流换热1.1一般分析内部强制对流在工程上有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等内部强制对流与外部强制对流：管槽内部强制对流受流道壁面的约束，边界层的发展受到限制。（注意与外掠等温平板强制对流的区别）2/276.1管内受迫对流换热1.1一般分析内部强制对流3/27一、进口段与充分发展段流动亦分为层流和紊流，管内临界雷诺数Rec＝2300。

Re<2300，层流；2300<Re<10000,过渡区；Re>10000，旺盛湍流区2.流动充分发展段：径向速度分量v为零，轴向速度u不再随x变化。概念：流体从进入管口开始，经过一段距离后，管内断面流速分布和流动状态才能定型，这段距离称为进口段。此后即为流动充分发展段，其流动状态由Re数确定。主要特点：6.1管内受迫对流换热1.1一般分析3/27一、进口段与充分发展段流动亦分为层流和紊流，管内临界4/27若存在热交换，管内流体平均温度tf将不断变化，壁面温度tw也将发生变化。变化规律取决于边界条件的类型（如常见的：恒热流和恒壁温）。与流动进口段一样，管内对流换热也存在热进口段和热充分发展段。热充分发展段性质：一、进口段与充分发展段常物性流体在热充分发展段性质：表面对流传热系数hx

保持不变。流动进口段与热进口段长度取决于Pr数。Pr>1，流动进口段短；Pr<1，热进口段短。6.1管内受迫对流换热1.1一般分析4/27若存在热交换，管内流体平均温度tf将不断变化，5/27入口段长度l：层流：l/d≈

0.05RePr（常壁温）；l/d≈0.07RePr（常热流）湍流：l/d≈10~45入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。层流Rex<2300湍流一、进口段与充分发展段6.1管内受迫对流换热1.1一般分析层流底层紊流层5/27入口段长度l：层流：l/d6/271）平均流速：二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（确定物性及换热温差）：（1）断面方向平均温度：须已知断面速度及温度分布（2）管长方向平均温度：

dx管段流体获得热量6.1管内受迫对流换热1.1一般分析6/271）平均流速：二、管内流体平均流速与平均温度2）平均7/27二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（断面方向和管长方向）：（2）管长方向平均温度

分别整理上式：常热流边界（q=const）：在常热流边界条件下，充分发展段管壁温度、流体温度均呈线性变化，且两者变化速率相等；进口段受边界层影响，h不断变小，故流体与壁面温差逐渐变大。在计算平均温差时，取进口和出口两端温差Δt’和Δt’’的算术平均值作为全管长流体与壁面的平均温差：tf变化?6.1管内受迫对流换热1.1一般分析7/27二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（断面方向8/27二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（断面方向和管长方向）：常壁温边界（tw=const）：上式沿管长0到x积分：流体与壁面间温差沿管长呈指数曲线变化，那么全管长流体与壁面平均温差Δtm：对数平均温差Δtm：6.1管内受迫对流换热1.1一般分析8/27二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（断面方向9/27三、物性场不均匀性当流体与管壁之间的温差较大时，管截面上流体温度变化较大；尤其是黏性随温度的变化，导致管截面上流体速度的与等温流动不同，进而影响流体与管壁之间的热量传递。

1-等温流

2-冷却液体或加热气体

3-加热液体或冷却气体温度的变化，还会引起密度不同，必然产生自然对流，从而影响流动及换热，对大管径、低流速或大温差时应预关注。6.1管内受迫对流换热1.1一般分析9/27三、物性场不均匀性当流体与管壁之间的温差较大时，管截10/271.2管内对流换热的实验关联式通式（迪图斯－贝尔特公式）：式中：定性温度取为全管长平均温度；特征流速为管内平均流速；特征尺寸为管内径；非圆截面管，特征长度取为当量直径de＝4Ac/P

（Ac为截面积，P为湿周）。加热流体

n＝0.4冷却流体n＝0.3得到Nu或h后，即可根据牛顿冷却公式计算管内湍流强制对流换热量或热流密度。适用范围：

l/d>>10的光滑圆管紊流流动充分发展段；流体与壁面具有中等以下的温差：气体≤50℃水≤20～30℃油≤10℃；Ref>104，Prf＝0.7～160；对于恒壁温、恒热流边界条件均适用；不适用于Pr数很小的液态金属。一、紊流换热关联式6.1管内受迫对流换热10/271.2管内对流换热的实验关联式通式（迪图斯－贝尔11/27希得-塔特关联式：紊流换热修正关联式：一、紊流换热关联式格尼林斯基关联式：气体：液体：适用条件：适用条件：126.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式11/27希得-塔特关联式：紊流换热修正关联式：一、紊流换12/27根据光滑圆管紊流传热通用公式，可知：h的影响因素：密度和速度均为0.8次方，影响最大。影响较大的因素其次是导热系数，比热容；这也反映了同等条件下，水的对流换热系数要比空气大。在流速和温度不变前提下，小管径能提高换热系数，如圆管改成椭圆管。增加速度可提高换热系数，如流速由1m/s提高到1.5m/s，换热系数增加40%；然而，增加流速同时会引起流动阻力上升，须综合考虑。迪图斯－贝尔特公式：一、紊流换热关联式6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式12/27根据光滑圆管紊流传热通用公式，可知：h的影响因素13/27结题思路：1）首先根据给定条件选择合适的关联式：（a）管内流动；（b）壁面温度高于流体温度；（c）流体温度范围或流体与壁面温差是否满足迪图斯-贝尔特公式，不满足则用其他经验公式。2）根据关联式，确定定性温度、定型尺寸和物性参数，同时计算Re数判断流态；3）将参数带入关联式，计算Nu数，进而求出对流换热系数。例1：一台管壳式蒸汽换热器，管内水的流速为um=0.85m/s，全管长水的平均温度tf=90℃，管壁面温度tw=115℃，管长为1.5m，管内径d=17mm，试计算其表面换热系数。6.1管内受迫对流换热13/27结题思路：例1：一台管壳式蒸汽换热器，管内水的流速14/27式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值；特征流速为管内平均流速；特征长度为管内径；管内层流换热Nu（充分发展段）：管内流动入口段为层流。常见于微型动力设备、电器及仪表等空气冷却或加热过程。西得-塔特常壁温层流换热关联式：二、层流换热关联式6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式14/27式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值；15/27【解】：确定定性温度tf=(20+60)/2=40℃，查物性参数：雷诺数：Re=1.18×103<2300，故为层流。选用层流换热关联式：例2：空气以2m/s速度在内径为10mm的管内流动，入口处的空气温度为20℃，管壁温度为120℃，试确定将空气加热至60℃时所需要的管长。将参数带入层流换热关联式，整理可得：h=10.12l-1/3

。根据能量平衡方程有：6.1管内受迫对流换热15/27【解】：确定定性温度tf=(20+60)/2=4016/27例2：空气以2m/s速度在内径为10mm的管内流动，入口处的空气温度为20℃，管壁温度为120℃，试确定将空气加热至60℃时所需要的管长。将参数带入层流换热关联式，整理可得：h=10.12l-1/3

。根据能量平衡方程有：整理上式可得：hl=2.83。联立两式，可计算出l=0.148m。6.1管内受迫对流换热16/27例2：空气以2m/s速度在内径为10mm的管内流17/27

三、管槽内部强制对流换热的强化：机理：减薄或消除热边界层。措施：增加流速、增加内壁粗糙度；内肋管、内螺纹管；弯管、扭曲管等。注意：强化传热的措施往往引起流动阻力的增加，其输送能耗必然增加，需要综合考虑。（对流传热场协同作用）6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式17/27三、管槽内部强制对流换热的强化：18/27四、微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热：

MEMS:特征尺度10-6m～10-3m，流动与传热存在尺度效应。克努森数：Kn＝λ/lKn≤0.001，连续介质区0.001<Kn<0.1，速度滑移与温度跳跃区0.1<Kn<10，过渡区Kn≥10，自由分子区特点：控制过程的作用力影响显著变化；表面粗糙度影响显著变化；壁面导热影响明显；流体的可压缩性；气体的稀薄性。纳米流体：基础流体中添加纳米尺度颗粒构成的复合流体。式中，λ是流体分子平均自由程；L是系统的长度尺度6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式18/27四、微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热：克努19/27作业：1、水以um=1.5m/s的速度流过内径d=25mm的加热管，管内壁温度保持恒定且tw=100℃，水的进口温度为15℃，若使水的出口温度达到85℃，求单位管长的换热量。（可不考虑管长修正）注意温差选用。Nu=343.4，h=9.05，q=28.7。2、一套管式换热器，管外壁温度保持在100℃。初温为25℃，质量流量为0.8kg/s的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。环形夹层内管外径为40mm，外管内径为60mm，试确定把水加热到55℃时所需的套管长度，及管子出口截面处的局部热流密度。Nu=93.3,h=2962.3,q=100176,l=4.4853、例题6-2：一班同学假设tf’’=110/120℃，二班同学假设tf’’=150/160℃。6.1管内受迫对流换热19/27作业：6.1管内受迫对流换热20/27

外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不受邻近壁面的约束。（外掠平壁、横掠单管、外掠球体、横掠管束）一、横掠单管对流换热：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体现象。一般来说，脱流强化了传热，但是增加阻力损失。6.2外掠圆管对流换热横掠单管绕流的特点：前半圆周：压力减小速度增加后半圆周：压力增加速度减小逆压梯度是造成流动分离的直接原因。压力减小压力增加20/27外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自21/27横掠单管绕流的特点：Re＝10～1.5×105：层流，脱体角φ＝80˚～85˚Re≥1.5×105：湍流，脱体角φ＝140˚一、横掠单管对流换热：6.2外掠圆管对流换热21/27横掠单管绕流的特点：Re＝10～1.5×105：层22/27横掠单管绕流对流换热的特点：一、横掠单管对流换热：hx的变化规律：1）在0°位置，流体速度最大，因此该位置局部换热系数相对较大；2）层流：随着层流边界层发展，hx逐渐变小，一直到脱体点最小；随后逐渐回升；3）紊流：hx第一极小点位置是层流边界层向紊流边界过渡点；hx第二极小点是脱体点；hx最大点是紊流完全发展区。6.2外掠圆管对流换热22/27横掠单管绕流对流换热的特点：一、横掠单管对流换热：23/27横掠单管对流换热实验关联式：式中：C,n的值见教材表6-1；定性温度tm＝(tw+t∞)/2；特征长度为管外径d；特征速度为来流速度u∞分段幂次关联式一、横掠单管对流换热：圆柱体绕流对流换热的局部表面传热系数不仅与Re，Pr相关，而且与流动分离相关。平均表面传热系数的实验关联式采用基于不同Re范围的分段幂次函数表示。6.2外掠圆管对流换热23/27横掠单管对流换热实验关联式：式中：C,n的值见24/27纵掠单管对流换热如何考虑？可视为长l，宽πd的外掠平板u∞，t∞外掠球体对流换热实验关联式Re<5105,层流Re>5105,湍流式中：定性温度为来流温度；特征流速为来流速度；特征长度为球直径；适用于：Pr＝0.71～380，Re＝3.5～7.6e+4补充：6.2外掠圆管对流换热24/27纵掠单管对流换热如何考虑？可视为长l，宽πd的外25/27横掠管束流动的特点：1）分为叉排和顺排两种形式，换热器中常用；2）除第一排管子保持了外掠单管的特征外，从第二排起流动将被前几排管子引起的涡旋所干扰，流动复杂；3）一般说叉排扰动大，换热强，但阻力损失大；顺排扰动小，换热弱，但是阻力小；4）Re<103时，前排管子对后排影响较小，