6-3第六章 單相流體對(duì)流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式

1、1.管內(nèi)紊流(Re≥104)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式,流體被加熱時(shí)n=0.4；流體被冷卻時(shí)n=0.3。,氣體,被加熱被冷卻,被加熱被冷卻,液體,2. 管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式(Re < 2300),3. 管內(nèi)過渡流(2300< Ref <104) 換熱準(zhǔn)則關(guān)系式,定性溫度：（tf1+tf2）/2；特征尺寸：管內(nèi)徑（當(dāng)量直徑）；特征流速：平均流速；,第六章 單相對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,§6-1 相似原理與量

2、綱分析§6-2 相似原理的應(yīng)用§6-3 內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱§6-6 射流沖擊傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,,,,,,一、流體平行流過平板時(shí)的換熱計(jì)算,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,局部：,平均：,使用范圍：,Rel＜5×105時(shí)，流動(dòng)邊界層為層流流動(dòng),其傳熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式：,§6-4 外部

3、強(qiáng)制對(duì)流傳熱,使用范圍：,局部：,平均：,Rel＞5×105 時(shí)，如果將整個(gè)平板都視為紊流狀態(tài) ，其傳熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下：,,,復(fù)合邊界層時(shí):,整理為：,=5×105,特征流速u∞，定性溫度tm=（tw+t∞）/2。,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,例1：溫度為40℃壓力為一個(gè)大氣壓的空氣，平行掠過一塊表面溫度為100℃的平板上表面，平板下表面絕熱。平板沿流動(dòng)方向長度為0.2m，寬度為0.1m。按平板長度計(jì)

4、算的Re為4×104。試確定：(1)平板表面與空氣間的表面換熱系數(shù)和換熱量。(2)如果空氣流速增加一倍，壓力增加10倍，平板表面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。,（1）雷諾數(shù)4×104＜5×105 ，流動(dòng)邊界層為層流流動(dòng) , 傳熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)系式為：,解：空氣定性溫度為tm=(40+100)/2=70℃，空氣物性參數(shù)為:μm=20.6×10-6 Pa·s， ρm=1.029kg/m3，P

5、rm=0.694，λm=2.96×10-2W/(m2·K)。,（2）若u2=2u1，p2=10p1，,ρ2=10ρ1,湍流,一、橫掠單管（或柱）時(shí)的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱,物體外掠一切非流線型物體時(shí)，都會(huì)發(fā)生邊界層分離。,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,1.邊界層分離,,,,1 2 3,p1> p2 < p3,u1 u3,,,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,在增壓減速過程中，流體由

6、壓力轉(zhuǎn)變來的動(dòng)量會(huì)逐步再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌龅膲毫Γ藭r(shí)近壁面流體不但會(huì)因動(dòng)量的耗散而沒有足夠的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為壓力，而且會(huì)在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動(dòng)，導(dǎo)致流體邊界層發(fā)生分離。,S?,A→C：流道截面積↓,流速↑,壓力↓(順壓梯度)；C→S：流道截面積↑,流速↓,壓力↑(逆壓梯度)；S點(diǎn)： 。SS'以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。,§6-4 外部強(qiáng)制

7、對(duì)流傳熱,汽車在路面上飛馳而過，汽車后面會(huì)揚(yáng)起高高的塵土。,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,Re<10時(shí), 流動(dòng)不發(fā)生分離現(xiàn)象；10＜Re＜1.5×105時(shí),邊界層為層流，分離點(diǎn)在80º≤Φ≤85º；Re≥1.5×105 時(shí)，邊界層在分離（脫體）前已變?yōu)槲闪?，由于紊流邊界層中紊流?dòng)量交換的加強(qiáng)，從而使邊界層分離點(diǎn)推后到φ≈140º 處；,,2.分離點(diǎn)位置及圓管表面局部表面

8、傳熱系數(shù)的變化,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,,,,,,,,,,,3.圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式,特征流速:來流速度；特征長度:管子外徑；特征溫度:膜平均溫度,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,當(dāng)β=0時(shí)，用縱掠平板公式計(jì)算。,修正系數(shù),斜掠圓管,表6-5,例2： 其他條件相同時(shí)，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個(gè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？,,,,,,,,,,橫向,縱向,橫向沖刷時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大?？v向沖刷時(shí)相當(dāng)于

9、外掠平板的流動(dòng)，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時(shí)熱邊界層薄且存在邊界層分離產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動(dòng)，因而換熱強(qiáng)。,例3：為了測量管內(nèi)流體溫度，測溫套管有A,B兩種布置方式，如圖所示。為了使測溫誤差減小，問應(yīng)選取哪種布置方式，并說明理由。,三、流體橫掠管束時(shí)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,除管徑影響傳熱系數(shù)外，管距、管排數(shù)和排列方式也影響對(duì)流換熱系數(shù)。,（a）順排,§6-4 外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱,流體橫掠順排管束

10、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式（表6-7）流體橫掠叉排管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式（表6-8）,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,自然對(duì)流換熱：由于固體壁面與流體間存在溫差，使流體內(nèi)部溫度場不均勻，導(dǎo)致密度場的不均勻，在重力場作用之下產(chǎn)生浮升力而促使流體發(fā)生流動(dòng)，引起熱量交換。,,1) 溫度與速度分布,一、 自然對(duì)流換熱現(xiàn)象的特點(diǎn),y,t,t∞,,x t,,以豎直平板在空氣中自然冷卻過程進(jìn)行分析。,,,,,,0,u,

11、7;6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,2) 流動(dòng)形態(tài),層流區(qū),紊流區(qū),過渡區(qū),,,,,,hx,x,物理意義： 浮升力與粘性力的比值,3）自然對(duì)流傳熱的控制方程與相似特征數(shù),§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,Gr是層流向紊流轉(zhuǎn)變的依據(jù),傳熱面上邊界層的形成和發(fā)展不受周圍物體干擾的自然對(duì)流傳熱稱為大空間自然對(duì)流傳熱，否則稱為有限空間對(duì)流傳熱。,二、大空間自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式,1. 恒壁溫,Gr中的Δt：

12、 體膨脹系數(shù)αv=1/T 。特征溫度：膜溫度（tw+t∞）/2； 特征長度：豎壁與豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,C、n見表6-10；水平面見式6-39、6-40,例：在對(duì)流溫度差大小相同的條件下，在夏季和冬季，屋頂天花板內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)是否相同？ 為什么？,例：水平放置的蒸汽管道，保溫層外徑d0=383mm，壁溫tw=48℃，周圍空氣溫度t∞

13、=24℃.試計(jì)算保溫層外壁單位管長的對(duì)流散熱量。,解：特征溫度：,查表6-10得C=0.48，n=1/4；,2.　恒熱流密度,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,B、m見表6-11,恒熱流密度給定時(shí)，常要校核局部壁溫。最有價(jià)值的數(shù)據(jù)往往是局部對(duì)流傳熱系數(shù)。,層流：,湍流 ：,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,湍流自然對(duì)流的自?；?表6-10中關(guān)聯(lián)式的指數(shù)n，湍流時(shí),此時(shí),湍流自然對(duì)流時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)與尺

14、寸無關(guān)，這種情形稱為自?；F(xiàn)象。,有些自然對(duì)流換熱過程受到固體表面的限制而形成受限空間中的自然對(duì)流換熱。,三、有限空間自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,邊界層特點(diǎn),熱流密度,表示成導(dǎo)熱計(jì)算式:,表示成熱對(duì)流計(jì)算式:,,,,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,當(dāng)δ/H＞0.3，體現(xiàn)為無限空間自然對(duì)流換熱規(guī)律；當(dāng)δ/h＜0.3，將體現(xiàn)出有限空間自然對(duì)流換熱特征。,對(duì)于豎直空氣夾層，推薦以

15、下關(guān)聯(lián)式:,使用范圍：,§6-5 大空間與有限空間內(nèi)自然對(duì)流傳熱,定性溫度：（tw1+tw2）/2；特征尺寸：δ,以如圖所示有限空間自然對(duì)流為例。如果空腔內(nèi)的空氣沒有對(duì)流，僅存在導(dǎo)熱，則：,=,即：Numin=1,例6：對(duì)有限空間的自然對(duì)流換熱，有人經(jīng)過計(jì)算得出Nu數(shù)為0.5。請(qǐng)判斷這一結(jié)果的正確性。,例7: 溫度分別為100℃和40℃、面積均為0.5×0.5m2的兩豎壁，形成厚δ=15mm的豎直空氣夾層。試計(jì)算通過

16、空氣夾層的自然對(duì)流換熱量?,解：空氣的定性溫度為tm=(100+40)/2=70℃，查出空氣的物性參數(shù)為vm=20.02×10-6 m2/s， ρ=1.029kg/m3， λ=2.96×10-2W/(m2·℃)，αv=1/（273+70）=2.915×10-2K-1 ，Pr=0.694。,(1)判斷流動(dòng)形態(tài),（GrδPr）m=1.003×104＜2×105，流動(dòng)屬層流。,(2