单相对流传热的实验关联式..ppt

第6章单相对流传热的实验关联式 6 1相似原理与量纲分析 6 1 1物理现象相似的定义 问题 除外掠平板外 一般对流传热问题很难得到分析解 大多数对流传热规律由实验获得 实验法 实验法存在的难题 对流传热影响因素多 函数关系复杂 实验工作量大 例如圆管内单相强制对流传热 某些实验难以进行 例如某些高温 高压 大型设备等情形 现场无法实验 几何图形相似 对应边一一成比例 对应角相等 即边长一一对应成比例 边长比例相同 而角度也一一对应成比例 角度比例相同 几何图形按比例缩放 现象相似 对应物理量一一成比例 即现象按比例缩放 1 同类现象 相同内容 物理本质相同 相同形式 微分方程相同 2 物理量对应成比例 比例系数可以不同 3 非稳态问题 相应时刻 物理量的空间分布相似 相似现象物理量的场 可以用统一的无量纲的场来表示 6 1 2相似原理的基本内容 1 相似物理现象间的重要特性 同名相似特征数相等 例如 固体壁面上的对流传热 其温度场 将方程无量纲化 无量纲场相同 努塞尔数 2 同一类现象中相似特征数的数量及其间的关系 定理 方程中有个物理量 涉及个基本量纲 可用个特征数表示 基本量纲 长度 质量 时间 电流 温度 物质的量 发光强度 3 两个同类物理现象相似的充要条件 1 同名的已定特征数相等 已定特征数 未定特征数 2 单值性条件相似 单值性条件即定解条件 初始条件 边界条件 几何条件 物理条件 6 1 3导出相似数的两种方法 1 相似分析法 方程分析法 已知 微分方程 原理 物理量对应成比例 比例系数 相似倍数 例子1 两个相似的对流传热现象 现象1 现象2 物理量场分别相似 将 代入现象1 将相似倍数关系 再次代入 例子2 由动量微分方程式 可得 例子3 由能量微分方程式 可得 贝克来数 方程中存在体积力 压力梯度 例子4 自然对流动量方程式 将两者合并成浮升力 式中 流体的体胀系数 流体的过余温度 自然对流的动量方程 格拉晓夫数 6 2相似原理的应用 6 2 1应用相似原理指导实验的安排及试验数据的整理 1 相似原理的重要应用 就是指导实验安排 例如 管内单相强制对流传热问题 由相似原理 优点 大幅度减少试验次数 实验具有通用性 可代表一组相似现象 具体步骤 确定 恒定 测关系 2 特征数方程 实验关联式 的常用形式 对单相强制对流传热 常用形式 由实验确定 确定和 恒定 测关系 例如 管内湍流对流传热问题 6 2 2应用相似原理指导模化试验 模化试验 用模型研究实际装置 要求 模型和装置现象相似 单值性条件相似 已定特征数相等 一般采用近似模化 主要条件满足相似原理 例如 稳态对流传热问题 相似要求 流速场几何相似 边界条件相似 相等 物性采用定性温度近似 6 2 3应用特征数方程应注意之点 1 特征长度 取影响流动的代表性尺度 例如 管内流动 内径 管外流动 外径 2 特征流速 不同问题 选不同流速 例如 外掠平板 来流速度 管内流动 截面平均流速 3 定性温度 根据特性 选平均值 例如 内部流动 外部流动 4 参数范围 几何尺寸等适用范围 6 2 4应用特征数对实验关联式准确性的正确认识 实验关联式往往只考虑了影响传热的主要因素 次要因素的影响常被忽略 因而存在误差 可达20 25 实际应用中 通过修正 可达到较准确的结果 单相对流传热 常用三种形式 P242例题6 1一换热设备的工作条件是 壁温tw 120oC 加热tf 80oC的空气 空气流速u 0 5m s 采用一个全盘缩小成原设备1 5的模型来研究它的换热情况 在模型中亦对空气加热 空气温度t f 10oC 壁面温度t w 30oC 试问模型中流速u 应多大才能保证与原设备中的换热现象相似 模型中各量用上角标 标明 解 模型与设备为同类现象 由相似原理 对空气 温度变化不大 对设备 对模型 因此 空气 P242例题6 2用平均温度为50oC的空气来模拟平均温度为400oC的烟气的外掠管束的对流传热 模型中烟气流速在10 15m s范围内变化 模型采用与实物一样的管径 问模型中空气的流速应在多大范围内变化 解 由相似原理 烟气 6 3内部强制对流传热的实验关联式 6 3 1管槽内强制对流流动与换热的一些特点 1 两种流态 层流 过渡流 旺盛湍流 临界雷诺数 2 入口段与充分发展段 流体进入管内 边界层逐渐增加 汇合于管的中心线 层流 湍流 入口段 边界层较薄 温度变化大 换热效果好 入口效应 充分发展段 边界层较厚 并且不再变化 换热保持恒定 层流入口段长度 湍流时 可忽略入口段影响 3 两种典型的热边界条件 均匀热流和均匀壁温 均匀热流 例如 电加热器 都变化 温差恒定 均匀壁温 例如 冷凝器 4 流体平均温度以及流体与壁面的平均温差 定性温度 入口温度 出口温度 平均温度 取截面上的平均值 已知温度分布理论计算 混合流体实验测量 平均温差 因换热 各处温差不同 对数平均温差 6 3 2管槽内湍流强制对流传热关联式 1 常规流体 的流体 1 Dittus Boelter公式 迪图斯 贝尔特公式 加热流体 冷却流体 定性温度 特征长度 内径 适用范围 中等以下温度差 气体 水 超出适用范围 进行修正 1 变物性影响的修正 温差修正 流体温度变化 影响物性参数 引起流速场和温度场变化 考虑加热和冷却时 温度分布不同 的指数取不同的值 引入 温度修正系数 气体加热 气体冷却 液体加热 液体冷却 2 入口段的影响入口段边界层较薄 具有强化传热的效应 引入 入口效应修正系数 3 非圆截面的槽道采用当量直径 流动截面积 润湿周长 4 螺旋管横截面上会引起二次环流 可强化传热 引入 螺旋管修正系数 气体 液体 弯管曲率半径 修正后 2 Gnielinski公式 格尼林斯基公式 较准 液体 气体 Darcy阻力系数 验证范围 6 3 3管槽内层流强制对流传热关联式 1 层流充分发展段 达尔西阻力系数 两种边界条件 均匀热流 均匀壁温 不同 特点 对等截面直通道 数与数无关 为一常数 数与截面形状有关 无法用当量直径表示 其他 环形空间内层流充分发展换热 见书P251 2 层流入口段 齐德 泰特公式 Sieder Tate公式 验证范围 管子处于均匀壁温 P254例题6 3水流过长l 5m 壁温均匀的直管时 从t f 25 3oC被加热到t f 34 6oC 管子的内径d 20mm 水在管内的流速为2m s 求表面传热系数 解 定性温度 物性参数 雷诺数 旺盛湍流 长度与内径比 充分发展段 迪图斯 贝尔特公式 验证温差范围 中等以下温差 时 6 4外部强制对流传热 流体横掠单管 球体及管束的实验关联式 6 4 1流体横掠单管的实验结果 外部流动 边界层可自由发展 不受限制 横掠单管 流体垂直管子轴线流动 流动特点 产生绕流脱体现象 绕流脱体 前半程压力减小 后半程增大 后半程流动出现两区域 边界层流速较大区域 动量较大 可以克服压力增长 平稳流动 边界层底部 流动缓慢 动量较小 跟不上压力增长 产生分离 在尾迹区 两种流动相互作用 流动变得不稳定 出现回流 漩涡 例如 汽车驶过 车后扬灰 绕流脱体起点位置 时 不出现 绕流脱体现象会强化传热 时 出现绕流脱体 时 出现湍流 出现绕流脱体 圆管表面平均表面传热系数的关联式 分段关联式 根据取值 定性温度 特征长度 外径 特征流速 来流速度 对空气 邱吉尔 朋斯登准则式 Churchill Bernstein 验证范围 范围广 气体横掠非圆形截面柱体的实验关联式 式中 取值见下表 注意 特征长度 6 4 2流体外掠球体的实验结果 定性温度 来流温度 特征长度 球体直径 适用范围 6 4 3流体横掠管束的实验结果 叉排 交叉排列 扰动剧烈 换热强烈 流动阻力大 1 管束的排列方式及其对流动与传热的影响 顺排 对齐排列 扰动较差 换热较弱 流动阻力小 2 影响管束平均传热性能的因素 流动的数 流体的数 排列方式 叉排 顺排 横向间距 纵向间距 管排数 前排管子影响流动 从而影响后排管子换热 管排数较大时 换热充分发展 与管排数无关 物性变化 修正因子 3 Zhukauakas关联式 茹卡乌斯卡斯关联式 流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关联式 流体横掠叉排管束平均表面传热系数计算关联式 注意 管排数 较小时 管排修正系数 定性温度 按平均壁温确定 特征流速 最小截面处平均流速 特征长度 外径 适用范围 P262例题6 4在低温风洞中用电加热圆管的方法来进行空气横掠水平放置圆管的对流换热试验 试验管置于风洞的两个侧壁上 暴露在空气中的部分长100mm 外径为12mm 实验测得来流的t 15oC 换热表面平均温度tw 125oC 功率P 40 5W 由于换热表面的辐射及换热管两端通过风洞侧壁的导热 估计由15 的功率损失掉 试计算此时对流传热的表面传热系数 解 热流量 平均表面传热系数 实验误差 辐射损失 镀铬 降低发射率 两端导热损失 两端用绝热材料 P262例题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 2 s2 d 2 烟气平均温度tf 600oC tw 120oC 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 解 时 时 雷诺数 茹卡乌斯卡斯关联式 管排数排 管排修正系数 平均表面传热系数 6 5大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式 6 5 1自然对流传热现象的特点 自然对流 温度不均匀 引起各处密度不同 由此产生浮升力而流动 特点 热流密度低 安全 经济 无噪音 广泛采用 1 边界层中的速度与温度分布 以等温竖直平壁为例 在其附近 温度场 靠近壁面处 温度变化大 速度场 壁面附近 温度变化大 浮升力大 但贴壁处粘滞力作用 速度为零 2 层流与湍流 竖壁下部 刚开始流动 速度慢为层流 边界层厚度增加 换热减弱 竖壁中部 流速增大 出现湍流 换热增强 竖壁上部 流动混乱 旺盛湍流 换热恒定 例如 烟火自然对流现象 6 5 2自然对流传热的控制方程与相似特征数 边界层动量方程 体积力为重力 在边界层外 代入上式 方向压力变化均匀 引入 体胀系数 自然对流动量方程 将方程无量纲化 可得 格拉晓夫数 物理意义 浮升力与粘滞力比值的一种量度 自然对流传热准则方程式 对自然对流能量方程讨论 可得 瑞利数 注 用判断流态 6 5 3大空间自然对流传热的实验关联式 1 大空间与有限空间自然对流 大空间自然对流 边界层不相互干扰 可自由发展 例如 教室的墙壁 有限空间自然对流 空间限制流动 边界层相互干扰 例如 双层玻璃之间 2 均匀壁温边界条件的大空间自然对流 定性温度 理想气体 特征长度 竖壁 竖圆柱 高度 横圆柱 外径 对气体完全适用 对液体 修正因子 竖圆柱与竖壁用同一个关联式 条件 注意 对水平平面自然对流传热 热面向上和冷面向下 流动相似 热面向下和冷面向上 流动相似 定性温度 特征长度 换热面积 球体的自然对流传热实验关联式 定性温度 特征长度 外径 适用范围 3 均匀热流边界条件 常见 电子器件 机器设备冷却问题 1 采用常壁温公式 竖直平板 壁面温度采用平板中点 2 采用专门公式 水平板热面向上与向下 热流密度 特征长度 矩形取短边长 注意 公式适用于二维条件 若长边接近短边 将偏小 空腔 竖直夹层和水平夹层 两换热壁面等温 两绝热壁面 传热量少 可忽略 6 5 4有限空间自然对流传热的实验关联式 有限空间 流体受到腔体的限制 流体的加热与冷却在腔体内同时进行 流动取决于数 定性温度 温度差值 特征长度 换热面间距 流动状态 竖直夹层 时 导热 时 对流 水平夹层 时 导热 时 对流 底为热面 竖夹层实验关联式 实验范围 形状修