工程传热学完整可编辑版.ppt

21 03 2020 1 第五章对流换热计算 5 1管 槽 内流体受迫对流换热计算 5 2流体外掠物体的对流换热计算 5 3自然对流换热计算 21 03 2020 2 5 1管 槽 内流体受迫对流换热计算 1管 槽 内流动换热的特点 流动存在着两个明显的流动区段 即流动进口 或发展 区段和流动充分发展区段 21 03 2020 3 进口区 流动和热边界层从零开始增长 直到汇合至管子中心线 管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口区充分发展区 边界层汇合于管子中心线以后的区域 即进入定型流动的区域 21 03 2020 4 充分发展段为层流流动 为什么平均换热系数比局部换热系数高 21 03 2020 5 充分发展段为湍流流动 为什么会出现两个拐点 21 03 2020 6 管内流动状态的判别 21 03 2020 7 热进口段随着流动从层流变为紊流 热边界层亦有层流和紊流热边界层之分 21 03 2020 8 流动进口段 热进口段长度 进口段长度 21 03 2020 9 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 对于管壁热流为常数时 流体温度随流动方向线性变化 且与管壁之间的温差保持不变 有 21 03 2020 10 当管壁温度为常数时 流体的温度随流动方向按如下指数规律变化 利用在整个管长内的流动换热平衡关系式 可得出计算表面传热系数的平均温差表达式 21 03 2020 11 其中 tf tf 分别为出口 进口截面上的平均温度 当进口与出口截面上的温差比 tw tf tw tf 在0 5 2之间时 可按如下算术平均温差计算 结果的差别在4 以内 21 03 2020 12 2管内强制对流换热的准则关系式 管内紊流换热准则关系式 迪图斯 贝尔特 Dittus Boelter 公式 特征尺寸为d 特征流速为um 流体物性量采用的定性温度是为流体的平均温度 流体被加热n 0 4 流体被冷却n 0 3 21 03 2020 13 适用范围 Ref 104 1 2 105 Prf 0 7 120 l d 60 此时入口段的影响可忽略不计 温差tw tf较小 所谓小温差是指 对于气体 50 对于水 20 30 对于油类流体 10 对恒壁温和恒热流边界条件均适用 不适用于Pr数很小的液态金属 21 03 2020 14 大温差当流体与管壁之间的温差较大时 因管截面上流体温度变化比较大 流体的物性受温度的影响会发生改变 尤其是流体黏性随温度的变化导致管截面上流体速度的分布也发生改变 进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换 应用范围的扩大 21 03 2020 15 水的动力粘度与温度 之间的关系 21 03 2020 16 大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项 为什么气体和液体的修正方式不一样 21 03 2020 17 弯曲管道流动情况示意图 螺旋管或弯管弯曲的管道中流动的流体 在弯曲处由于离心力的作用会形成垂直于流动方向的二次流动 从而加强流体的扰动 带来换热的增强 21 03 2020 18 在平直管计算结果的基础上乘以一个大于1的修正系数CR R为弯曲管的曲率半径 21 03 2020 19 短管当管子的长径比l d 60时 属于短管内流动换热 进口段的影响不能忽视 此时亦应在按照长管计算出结果的基础上乘以相应的修正系数Cl 图5 5显示了不同的入口条件对入口段局部表面传热系数的影响 21 03 2020 20 管内层流换热准则关系式 适用范围 Re0 6 RePrd L 10 用于平直管 特征尺寸 特征流速和定性温度与管内紊流换热准则关系式相同 由于层流时流体的进口段比较长 因而管长的影响通常直接从计算公式中体现出来 Sieder Tate公式 21 03 2020 21 管内过渡流区换热准则关系式 气体 液体 21 03 2020 22 例1空气以2m s的速度在内径为10mm的管内流动 入口处空气的温度为20 管壁温度为120 试确定将空气加热至60 所需管子的长度 解 定性温度为tf 20 60 2 40 查出空气的物性参数为 1 128kg m3 Cp 1 005kJ kg 2 76 10 2W m f 19 1 10 6kg m s Pr 0 699 而当tw 120 时 查得 w 22 8 10 6kg m s 雷诺数Re 1 18 10310 21 03 2020 23 由能量平衡有 代入数据得hL 2 83 比较上述两步得到的结果 有10 12L 1 3L 2 83 最后解得L 0 148m 由于L 0 825m 前述假设是正确的 得h 10 12L 1 3 21 03 2020 24 5 2流体外掠物体的对流换热计算 1流体平行流过平板时的换热计算 边界层层流流动换热可以通过边界层微分方程组的求解获得相应的准则关系式 而紊流问题也可以通过求解边界层积分方程而得出相应的准则关系式 21 03 2020 25 当雷诺数时 流动边界层为层流流动 其换热计算的准则关系式如下 局部换热系数计算式 平均换热系数计算式 当雷诺数时 流动边界层流动变为紊流流动 如果将整个平板都视为紊流状态 其换热计算的准则关系式如下 局部换热系数计算式 平均换热系数计算式 21 03 2020 26 实际上流体流过平板时都是逐步从层流过渡到紊流的 因而计算整个平板的换热时 必须将前面一段按照层流计算 而后面一段按照紊流计算 以上准则关系式中的无量纲准则的特征尺寸为x 表示平板前沿的x 0到平板x处的距离 如果计算整个平板的换热 则特征尺寸x L 特征流速为u 而定性温度为膜温度 21 03 2020 27 例题温度20 的空气 以10m s的速度流过平板 分别确定从平板前缘算起 进入过渡区 Re1 2 105 和进入紊流区 Re2 5 105 的距离 解 查出20 时空气的运动粘度为 15 06 10 6m2 s 假设进入过渡区的距离为L1 由雷诺数Re1 uL1 2 105 计算出L1 0 30m 假设进入紊流区的距离为L2 由雷诺数Re2 uL2 5 105 计算出L2 0 75m 21 03 2020 28 2流体横向掠过圆柱体 单管 时的换热计算 21 03 2020 29 存在绕流脱体现象前半周后半周 机械学院 21 03 2020 30 流体外掠一切非流线型物体时 都会发生边界层分离 21 03 2020 31 绕流圆柱的流动当Re1 5 105时为湍流 分离点在 140 处 雷诺数为 式中 u 为来流速度 d为圆柱体外直径 21 03 2020 32 沿横截面圆周局部表面传热系数的变化见右图 注意该图中换热点回升对层流区而言是由于脱体产生的的扰动 对湍流区而言则分别由于层流转为湍流和脱体的缘故 21 03 2020 33 计算流体绕流圆柱体的平均换热系数的准则关系式 准则的特征流速为流体最小截面处的最大流速umax 特征尺寸为圆柱体外直径d 定性温度除Prw按壁面温tw取值之外皆用流体的平均温度tf 是在选用tf为定性温度时考虑热流方向不同对换热性能产生影响的一个修正系数 21 03 2020 34 冲刷角对换热的影响如果流体流动方向与圆柱体轴线的夹角 亦称冲击角 在300 900的范围内时 平均表面传热系数可按下式计算 交通学院 21 03 2020 35 管束 长圆柱体束 是由多根长管 长圆柱体 按照一定的的排列规则组合而成的 管束的排列方式很多 最常见的有顺排和叉排两种 3流体横向流过管束的换热 21 03 2020 36 一般叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动 扰动更剧烈 因而换热比顺排更强 顺排则流动阻力小 易于清洗 所以顺排和叉排的选择要全面权衡 后排管的换热要好于第一排管 但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没有多少差异了 实验结果表明 当管排排数超过10排之后 换热性能就基本稳定不变了 21 03 2020 37 平均表面传热系数 式中 s1和s2分别为垂直于流动方向和沿着流动方向上的管子之间的距离 而 z为管排数目的修正系数 此公式考虑了管子排列和管排数目对换热的影响 准则关系式的特征尺寸为管外直径 特征流速为管排流道中最窄处的流速 定性温度为流体平均温度 顺排 21 03 2020 38 如果流体流动的方向与管束不垂直 也就是流体对管子的冲击角 900的情况 在进行换热计算时要在式 5 16 计算出的表面传热系数的基础上乘以修正系数c 21 03 2020 39 5 3自然对流换热计算 自然对流 流场温度分布不均匀导致的密度不均匀 在重力场作用下产生的流体运动过程 自然对流换热 流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程 1 竖板2 水平管3 水平板4 竖直夹层5 横圆管内侧 21 03 2020 40 在自然界 现实生活 工程上 物体的自然冷却或加热都是以自然对流换热的方式实现的 ThermalConvectioninaSemicircleCavity 21 03 2020 41 1大空间自然对流的流动和换热特征 以竖直平板在空气中自然冷却过程进行分析 在垂直于壁面的方向上流体的速度从壁面处的uw 0 逐步增大到最大值umax 再往后又逐步减小到u 0 21 03 2020 42 这种流体速度变化的区域相对于流体沿着平板上升方向 图中的x方向 的尺度是很薄的 因而可以称之为自然对流的速度边界层 与速度边界层同时存在的还有温度发生显著变化的薄层 也就是温度从tw逐步变化到环境温度t 热边界层 自然对流换热的速度边界层 自然对流换热的热边界层 21 03 2020 43 从竖直平板的底部开始发展的自然对流边界层 除边界层厚度逐步增大之外 其边界层中的惯性力相对于黏性力也会逐步增大 从而导致边界层中的流动失去稳定 而由层流流动变化到紊流流动 自然对流速度边界层的转变 无量纲准则 格拉晓夫数Gr 109时 自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态 21 03 2020 44 2竖板自然对流换热的微分方程组 大空间条件下的竖板自然对流换热是属于边界层流动换热的类型 前面导出的边界层流动换热的微分方程组在这里也应该是适用的 自然对流换热的微分方程组的形式如下 21 03 2020 45 式中 动量方程中的压力梯度 按其在y方向上变化的特征 在边界层外部可以求出 于是动量方程变为 为了将方程中的密度差用温度差来表示 引入体积膨胀系数 21 03 2020 46 体积膨胀系数对于理想气体为其绝对温度值的倒数 即 1 T 大多数一般气体可利用此式 21 03 2020 47 采用相似分析的办法 引入变量达到参考值将方程组无量纲化 引入变量参考值 如竖板高度L 特征流速ua 温度差等 可以得出无量纲变量 问题 特征流速ua如何选取或确定 21 03 2020 48 反映流体温差引起的浮升力导致的自然对流流场中的流体惯性力与其黏性力之间的对比关系 竖板自然对流换热的无量纲微分方程组 21 03 2020 49 3大空间自然对流换热计算 c n值针对不同的自然对流换热问题给出 公式物性量取值的定性温度为tm tw t 2 此公式仅用于壁面温度保持常数 即tw const 1 对竖板或竖管 圆柱体 特征尺寸为板 管 高 2 对水平放置圆管 圆柱体 特征尺寸为外直径 21 03 2020 50 4受限空间自然对流换热计算 有些自然对流换热过程受到固体表面的限制而形成受限空间中的自然对流换热 21 03 2020 51 恒壁温条件下空气在竖夹层的准则关系式为 公式中准则的定性温度为 竖夹层 问题 自然对流换热的Nu可能小于1吗 21 03 2020 52 水平夹层 公式中准则的定性温度为 水平环缝 该公式适用于 21 03 2020 53 例1热电厂中有一水平放置的蒸汽管道