课件 传热-第6章3

6 5自然对流换热实验关联式 重力场中 温差 密度差 浮升力 自然对流 自然对流换热 分类 大空间自然对流换热和有限空间自然对流换热 重点介绍大空间自然对流换热特点及特征数关联式 注意 有温差也并非一定会引起自然对流换热 自然对流换热实例 自然冷却或加热 如管道 输电线的散热 电子器件的散热 室内暖气片 自然循环锅炉等 1 自然对流换热的数学描述 以大空间内沿垂直壁面的自然对流换热为例 对于常物性 无内热源 不可压缩牛顿流体沿垂直壁面的二维稳态对流换热 就是重力场中由于密度差而产生的浮升力项 对于不可压缩牛顿流体 密度只是温度的函数 惯性力项 浮升力项 粘性力项 根据体胀系数的定义 引进下列无量纲变量 动量微分方程 令 Gr称为格拉晓夫数 表征浮升力与粘性力相对大小 反映自然对流的强弱 表征浮升力与惯性力之比 浮升力与惯性力数量级相同 自然对流与强迫对流叠加的混合对流换热 纯强迫对流换热 纯自然对流换热 2 垂直壁面二维稳态自然对流层流换热分析结果 大空间垂直壁面自然对流换热的特点 1 浮升力是自然对流的动力 格拉晓夫数Gr对自然对流换热起决定作用 2 自然对流边界层的最大速度在边界层内部 其数值随Pr增大而减小 位置向壁面移动 3 对于液态金属除外的所有流体 随Pr增大 层流边界层厚度变化不大 但热边界层厚度迅速减小 壁面处温度梯度增大 换热增强 4 Gr的大小决定了自然对流的流态 绝大多数文献推荐用瑞利数作为流态的判据 5 随着层流边界层的加厚 hx逐渐减小 当边界层从层流向紊流过渡时又增大 实验研究表明 在旺盛紊流阶段 hx基本上不随壁面高度变化 3 大空间自然对流换热特征数关联式 特征数关联式 定性温度 理想气体 Gr准则中的体积膨胀系数 1 T 特征长度 竖壁和竖圆柱取高度 横圆柱取外径 tw const 对于竖圆柱 如果满足下式 1 竖平壁或竖圆柱 可以按垂直壁面处理 丘吉尔 S W Churchill 和朱 H H S Chu 提出了对等壁温和常热流边界条件 对层流和湍流都适用的竖壁面自然对流换热计算公式 适用范围 对于层流更精确的公式 适用范围 对于常热流边界条件下竖壁的自然对流换热 壁面温度未知 并且沿壁面分布不均匀 往往需要确定局部壁面温度 引进一个修正的局部格拉晓夫数 适用范围 层流 适用范围 湍流 定性温度 由于tw x未知 需采用试算法 2 倾斜表面和水平表面 相对于铅垂线倾角在60 以内的倾斜表面 只需用gcos代替Gr数中的g 就仍可以用竖平壁时的关联式计算 这种计算只用于倾斜冷板的上表面或者热板的下表面 水平表面 对于等壁温热板上表面或冷板下表面的自然对流换热 Nu 0 54Ra1 4 104 Ra 107 Nu 0 15Ra1 3 107 Ra 1011 以上三式的特征尺寸为平板表面积与周长之比A P 对于等壁温热板下表面或冷板上表面的自然对流换热 Nu 0 27Ra1 4 105 Ra 1011 对于常热流热板上表面或冷板下表面的自然对流换热 适用范围 对于常热流热板下表面或冷板上表面的自然对流换热 适用范围 注意 自然对流换热特征数关联式的定性温度都是边界层膜温度 即 以上两式的特征尺寸为平板表面积与周长之比A P 但对于矩形平板 取短边长度为特征尺寸 3 水平圆柱表面的自然对流换热 摩根 V T Morgan 给出了等壁温水平长圆柱表面的自然对流换热关联式 丘吉尔和朱给出了等壁温或常热流水平长圆柱都适用的公式 适用范围 特征长度 圆柱外径d 空气在水平圆柱表面的自然对流换热关联式 定性温度 适用范围 4 球体表面的自然对流换热 丘吉尔推荐了球体外部自然对流换热关联式 适用范围 特征长度 球体外径d 4 有限空间自然对流换热 式中 e是流体的当量导热系数 受限空间流体流动和换热的影响因素 两壁面温差的大小 两壁面的相对位置 形状大小 放置方式以及流体物性 对于水平夹层 导热 六边形蜂窝状环流 称为贝纳德蜂窝 Benardcells 蜂窝状环流消失 形成湍流 有限空间自然对流换热实验关联式的形式 对于垂直空气夹层 适用范围 适用范围 定性温度 注意 1 对于垂直夹层 当Gr 2860 或者对于水平夹层 当Gr 2430时 夹层内的自然对流忽略 热量传递过程为纯导热 2 对于空气夹层 不要忘记考虑辐射换热 5 自然对流与强制对流并存的混合对流换热 无量纲动量方程 纯强迫对流换热 纯自然对流换热 浮升力与惯性力数量级相同 自然对流与强迫对流叠加的混合对流换热 混合对流换热的简单计算方法 n的数值取决于混合对流换热的种类 常取n 3 第6章小结 重点掌握以下内容 1 对流换热的分类 特点及影响因素 2 灵活运用牛顿冷却公式计算对流换热问题 3 对流换热微分方程组的组成 推导原理 4 边界层理论的主要内容及其对求解对流换热问题的指导意义 5 对流换热边界层微分方程组的内容和形式 6 对流换热解的函数形式 特征数关联式 特征数Nu Re Pr Gr的物理意义 7 常物性 无内热源 不可压缩牛顿流体平行外掠等壁温平板稳态层流换热的数学模型和精确解 8 动量传递与热量传递比拟法的基本原理和契尔顿 科尔本比拟式 9 相似理论的主要内容及其对求解对流换热问题的指导意义 10 单相流体外掠壁面 管内强迫对流 自然对流换热的特点及其影响因素 11 自然对流换热的数学模型及其与强迫对流换热数学模型的区别 12 会利用特征数关联式计算上述对流换热问题 作业 6 43 6 45 强迫对流单管管外放热系数测试 一 实验目的 1 测定空气横向流过单圆管表面时的放热系数 2 根据对受迫运动放热过程的相似分析 将实验数据整理成准则方程式 3 通过相似原理的实际应用 加深对相似原理的了解 4 学习用热电偶测量温度 用电压电流测量功率及用比托管测流量的实验技术 5 计算机在测试技术方面的应用 二 实验原理 根据牛顿公式物体表面对流放热量Qc 式中 tw 圆管表面平均温度 tf 实验段前后流体的平均温度 F 圆管表面积 m2 d l分别为圆管的直径和长度 放热系数 w m2 对于空气Pr 常数 故准则方程式为 圆管内加热器所产生的热量Q是以对流换热Qc和辐射QR方式传出的 式中 为圆管表面黑度 0 22 cb 绝对黑体的辐射系数 cb 5 67 W m2 k4 Tw Tf 分别为圆管表面和流体的平均绝对温度 K 由以上分析可知 实验的中心问题是必须测量以下几个物理量 圆管放热量Q 管壁温度tw 流体温度tf 管子直径d 管子长度l和空气流速u 在不同工况下测量以上数值 将每一工况下Ref值与Nuf值表示在对数坐标图上 图1 确定参数之间关系的图解法 式中 为直线和横坐标之间夹角的正切 因此 实验曲线可用下面方程来表示 故 C 之值可以通过曲线上任一点处Nuf与Ref的数值计算出来 图2 单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图1 离心式风机2 自动风机风门3 软连接4 毕托管5 后测温点6 后测静压点7 紫铜管试件8 前测静压点9 前测温点10 整流珊11 进风喇叭口12 角铁支架13 实验台14 毕托管差压传感器15 加热开关16 加热调节17 风门开关 上开下关 18 风机开关19 加热电流表20 加热电压表21 一十六位巡检仪22 试验段阻力差压传感器 1 摩托车手的膝盖需要特别的保温 你知道为什么吗 思考题 答案 因为膝盖处的热边界层很薄 相当于外掠物体的前驻点 换热能力较强 该处与空气的热交换量较大 2 地面上按自然对流设计的换热装置 在太空中还能正常工作吗 3 对于管内强制对流换热 考虑温差修正系数时 为何对气体采用温度形式 教材5 55a 而对于液体却采用粘度的形式 4 对管内强制对流换热 为何采用短管和弯管可以强化流体的换热 5 在记及入口效应时 管内流动时的入口效应修正系数大于1 而流体横掠管束时的总管排修正系数却小于1 为什么 6 对有限空间的自然对流换热 有人经过计算得出其Nu数为0 5 请利用所学的传热学知识判断这一结果的正确性 仅有导热时 当量对流换热量 7 在进行外掠圆柱体的层流强制对流换热实验研究时 为了测量平均表面传热系数 需要布置测量外壁温度的热电偶 试问热电偶应布置在圆柱体周向的何处 8 其它条件相同时 同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比 那个的