大空间自然对流naturalconvection

Chapter6CorrelationsofSingle-PhaseConvectionHeatTransferExternalforcedconvectionPrimaryContents内部的Internalforcedconvection外部的Naturalconvection6-2Applicationofsimilaritytheory

Vocabularyreferencetemperature定性温度characteristicdimension特征长度characteristicvelocity特征速度characteristicnumbers特征数characteristicnumbers浙江大学2004年考研试题：无量纲数称为

，其物理意义是

。普朗特数动量扩散与热量扩散能力的对比Thosemustbepayattentiontocharacteristicdimension特征长度准则数中规定的几何尺度，反应了流场的几何特征。对不同的流场，特征长度是不同的：

外掠平板——长度；管内流动——内径；不规则通道内流动——当量直径；外掠单管或管束——外径。Thosemustbepayattentiontocharacteristicdimensioncharacteristicvelocity特征长度特征速度

Re中用到的流速，反应了流场的流动特性。对不同的流场，特征流速是不同的：

外掠平板——来流速度；管内流动——截面平均流速；外掠单管——来流速度；外掠管束——最小截面平均流速。Thosemustbepayattentiontocharacteristicdimensioncharacteristicvelocity特征长度特征速度referencetemperature定性温度用以确定流体物性数值的温度。对不同的流场，定性温度是不同的：

外部流动——来流温度与壁面温度的平均值；内部流动——进、出口温度的平均值。Thosemustbepayattentiontocharacteristicdimensioncharacteristicvelocity特征长度特征速度referencetemperature定性温度theapplicability适用范围不能推广到得到该方程的实验参数范围以外。6-3CorrelationsofInternalForcedConvectionlaminarflow层流turbulentflow湍流entranceeffects入口效应equavilentdiameter当量直径wettedperimeter湿周长度FlowageLaminarflow流动状态TransitionflowFullydevelopedturbulentflowEntranceeffectsLaminarflowTurbulentflow为什么x位置处h总是大于hx？工程技术中常常利用入口段换热效果好的特点来强化设备的换热。thermalboundaryconditions(forconstantheatflux)(forconstanttw)qw=consttw=constCorrelationsforforcedturbulentflowFluidPr＞0.6(1)DittusandBoelterrelation迪图斯-贝尔特公式

n=0.4forheatingofthefluid0.3forcoolingofthefluid

ranging

moderatetemperaturedifferencebetweenwallandfluid(6-15)

characteristicdimensionInnerdiameter

characteristicvelocityaveragevelocityofthecross-section

referencetemperaturetf’tf’’判断对错：管内湍流换热，Re越大，则对流的表面传热系数也越大。在流速和物性参数不变时，为了强化换热,采用直径大的管子好，还是采用直径小的管子好？在流量和物性参数不变时，为了强化换热,采用直径大的管子好，还是采用直径小的管子好？1

Influenceoftemperature231-Isothermalflow2-gasheating/liquidcooling3-gascooling/liquidheatingModifiedDittusandBoelterrelation

gasheating

gascooling

liquid0.11forliquidheating0.25forliquidcoolingn=(6-16a)(6-16b)(6-17)

Entranceeffects

Non-circularcrosssectionde-equavilentdiameter,mAc-cross-sectionalareaoftheflow,m2P–wettedperimeter,m当量直径湿周长度(6-18)(6-19)(2)Gnielinskiequation(6-21a)(6-21b)Forgas：(6-21c)For

liquid：rangingliquidmetal液态金属(6-24)(6-25)CorrelationsforforcedlaminarflowSiederandTaterelation齐德-泰特公式(6-26)Example水以1.2m/s的流速流过内径为20cm的长直管。如果:(1)管子的壁温为75℃，水从20℃加热到70℃?；(2)管子壁温为15℃,水从70℃冷却到20℃。试计算两种情况下的表面换热系数,并讨论造成差别的原因。[Solution]

DeterminethewaterpropertiesFromAppendix9,wehave(1)Forwaterheating,wehave(2)Forwatercooling,wehaveExampleAirat27℃and1atmentersasmoothtubehavingadiameterof2cmandlengthof10cm.Theairvelocityis40m/s.Whatconstantheatfluxmustbeappliedatthetubesurfacetoresultinanairtemperatureriseof5℃？Whataveragewalltemperaturewouldbenecessaryforthiscase?Example27℃，1大气压下的空气流入一根直径为2cm、长度为10cm的光滑管道，空气的流速为40m/s.为了在出口使空气的温度升高5℃，必须给空气提供多少恒定的热流密度？在这种情况下平均壁面温度为多少?[Solution]

DeterminetheairpropertiesFromAppendix5,wehave(1)HeatfluxappliedatthetubesurfaceThemassflowisSothetotalheattransferisThesurfaceareaisSotheheatfluxis(2)Averagewalltemperature

ReynoldsnumbersbecauseTheentranceeffectsmusttobeconsidered.SoBecauseSoThetemperaturedifferencemodifymusttobeconsidered.BecauseSo小结

流动与换热的特点层流&湍流。入口段&充分发展段。两种边界条件。实验关联式说明：特征长度：内径d，非圆截面管道为de。特征流速：管内平均流速。定性温度：应用范围：管内湍流强制对流,流体与壁面具有中等温差,

变物性影响的修正：

a)n的取值:流体被加热取0.4,被冷却取0.3。

b)温差修正系数ct(n=0.4)。强化管内对流传热的方法。(6-15修正后)-forcedturbulentflow，Pr＞0.6Gnielinskiequation-forcedturbulentflow(6-21a)SiederandTaterelation-forcedlaminarflow(6-26)6-4CorrelationsofExternalForcedConvectionflowacrosssingletube横掠单管in-linetuberows顺排staggeredtuberows叉排externalforcedconvection外部强制对流FlowcharacteristicsStagnationpointSeparationpoint驻点分离点localheattransfer

coefficientlaminarflowturbulentflow要想得到好的换热效果，纵向冲刷管好还是横向冲刷管好？为什么？Correlations-flowacrosssingletube横掠单管ReCn0.4～44～4040～40004000～4000040000～4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805

characteristicdimension:outsidediametercharacteristicvelocity：validfor:referencetemperature：(6-28)NoncircularCylindersCorrelations-flowacrosssingletube

characteristicdimension:outsidediametercharacteristicvelocity：validfor:referencetemperature：(6-29)(2)Churchill&Bernsteinequation邱吉尔-朋斯登公式FlowAcrossTubeBanksArrangements2s1ds2s1din-linetuberowsstaggeredtuberows顺排叉排外掠管束Manyheat-exchangerarrangementsinvolvemultiplerows–tubebanks.InfluencingFactorsRe，PrArrangementSpacelengthRows若想增强换热，管排数多一点好，还是少一点好？ZhukauskasRelation茹卡乌斯卡斯关联式Forin-linetuberowsForstaggeredtuberowsreferencetemperature:averagetemperatureofthefluid

characteristicdimension:outsidediametercharacteristicvelocityvalidfor:referencetemperatureofPrw:averagetemperatureofthetubewallModifiedcoefficient旧版的书上是10排以下修正

特征流速s2s1ds2s1ds2’ExampleAirat1atmand35℃flowsacrossa5.0cmdiametercylinderatavelocityof50m/s.Thecylindersurfaceismaintainedatatemperatureof150℃.Calculatetheheatlossperunitlengthofthecylinder.[Solution]

DeterminetheairpropertiesFromAppendix5,wehave

ReynoldsnumbersFromtheTableReCn0.4～44～4040～40004000～4000040000～4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805

Theheattransferperunitlengthis例6-5在一锅炉中,烟气横掠4排管组成的顺排管束。已知管外径d=60mm，s1/d=s2/d=2,烟气平均温度tf=600℃,tw=120℃。烟气通道最窄处平均流速u=8m/s。试求管束平均表面传热系数。[Solution]

DeterminepropertiesFromAppendix6,wehave

ReynoldsnumbersFromAppendix6,wehaveForin-linetuberows

Modifiedcoefficient小结

外掠单管存在绕流脱体现象Re＜10时不出现脱体Re=10～1.5×105时边界层为层流,脱体角为80～85°Re＞105时边界层为湍流,脱体角为140°(1)流动与换热特点注意：特征长度：管外径d。特征流速：来流速度u∞。定性温度：应用范围：对气体和液体均适用。非圆截面管道：公式不变，C、n取值不同。3/1PrRenCNu=(6-28)-flowacrosssingletube(2)实验关联式Churchill&Bernsteinequation-flowacrosssingletube(6-29)注意：特征长度：管外径d。特征流速：来流速度u∞。定性温度：应用范围：横掠管束(1)流动与换热特点管束的排列方式有顺排和叉排之分。顺排易形成管子后部的滞止区，表面传热系数较小，但易于清洗。叉排使流体在管间通道内流体的扰动大大加剧，换热增强，但阻力损失亦增大。后排管易受到前排管尾流的影响，排数越多，扰动加剧，换热增强。注意：特征长度：管外径d。特征流速：最小截面处平均流速。定性温度：进出口流体的平均温度；

PrW-管束的平均壁温。应用范围：管排数≥16，影响对流换热表面传热系数h的因素。

(2)实验关联式P261表6-7，6-8茹卡乌斯卡斯公式6-5CorrelationsofNaturalConvectionnaturalconvectioninenclosures有限空间自然对流buoyancy浮升力Grashofnumber格拉晓夫数naturalconvectioninaninfinitespace大空间自然对流naturalconvectioninan

infinitespace(大空间自然对流)naturalconvectioninenclosures

(有限空间自然对流)Characteristics

DuetodensitychangesDrivingforce-buoyancy浮升力LowvelocityTemperatureandvelocitydistributionu(x,y)ygxturbulentandlaminarflowRTPRTP

=Þ=rrForanidealgasThusGoverningequationsthex-directionmomentumequationdensitydifferenceGrashofnumber格拉晓夫数GrashofnumberinnaturalconvectionisanalogoustotheReynoldsnumberinforcedconvection.Grashofnumberindicatestheratioofthebuoyancyforcetotheviscousforce.HigherGrnumbermeansincreasednaturalconvectionflow.(6-34)CorrelationsfornaturalconvectioninaninfinitespaceConstantwalltemperaturereferencetemperature:

characteristicdimension:

forverticalplateandcylinder:heightforhorizontalcylinder:externaldiametertemperaturedifferenceofGr:(6-37)Forverticalcylinder:heatedplatefacingupwardcooledplatefacingdownwardheatedplatefacingdownwardcooledplatefacingupward(6-39)(6-40)referencetemperature:

characteristicdimension:ConstantheatfluxUsethecorrelationsforconstantwalltemperatureSpecialcorrelationsreferencetemperature:

characteristicdimension:lengthoftheshortside

(6-43)(6-44)上海交大2002年考研题：大空间自然对流的换热准则关联式中不出现Re数，试问下面哪种解释是正确的？A）不考虑粘性力的影响；B）不考虑惯性力的影响；C）Re是待定准则；D）此时没有流速分布。ExampleAchimneyhavingadiameterof15cmismaintainedataconstanttemperatureof110℃.Thechimneyisexposedtoairat1atmand10℃.Theverticalpartofthechimneyis1.5mhighandthelengthofthehorizontalpartis15m.Calculatetheheattransferbyconvection.烟囱[Solution]

DeterminetheairpropertiesFromAppendix5,wehave

HeatTransferredfromverticalsurfaces≥

HeatTransferredfromhorizontalsurfaces

Totalheattransfer小结

流动与换热的特点u(x,y)ygx实验关联式(大空间自然对流)(1)均匀壁温(6-37)注意：特征长度：竖壁和竖圆柱()：高度横圆柱：外径定性温度：判断层流与湍流的准则数：体胀系数a)竖壁、竖圆柱、横圆柱b)水平板热面向上（冷面向下）：(6-39)热面向下（冷面向上）：(6-40)注意：特征长度：定性温度：实验关联式(大空间自然对流)(2)均匀热流(6-43)注意：特征长度：短边长定性温度：(6-44)地面上按自然对流设计的换热装置，在太空中能正常工作吗？为什么摩托车手膝盖需要特别保温？Example1试分析管内湍流强制对流换热，流速增加一倍时表面