传热学-第6章ppt课件

.,1,第六章单相对流传热的实验关联式,.,2,.,3,6-1相似原理及量纲分析,1问题的提出,(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？,相似原理将回答上述三个问题,(1)变量太多,.,4,特征数方程：无量纲量之间的函数关系,相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，,物理现象相似：,对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。,同类物理现象,用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。,物理现象相似的特性,(2)各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：,(1)同名特征数对应相等；,.,5,4物理现象相似的条件同名的已定特征数相等单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件,测量哪些物理量：只需测量各特征数所包含的物理量,实验数据如何整理：按特征数之间的函数关系整理,某一物理现象涉及哪些无量纲数？函数关系如何？,如何进行试验：相似原理的指导下采用模化试验,.,6,5无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法,相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。以左图的对流换热为例，,现象1：,现象2：,.,7,建立相似倍数：,相似倍数间的关系：,.,8,获得无量纲量及其关系：,类似地：通过动量微分方程可得：,能量微分方程：,贝克来数,.,9,自然对流：相似分析，可得格拉晓夫数,式中：流体的体积膨胀系数K-1Gr表征流体浮生力与粘性力的比值,.,10,a基本依据：定理：n个物理量n-r个独立的无量纲物理量群间的关系。r指基本量纲的数目。,b优点:(a)方法简单；(b)在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量,例题：以圆管内单相强制对流换热为例(a)确定相关的物理量,(2)量纲分析法：（自学）,.,11,国际单位制中的7个基本量：长度m，质量kg，时间s，电流A，温度K，物质的量mol，发光强度cd,因此，上面涉及了4个基本量纲：时间T，长度L，质量M，温度r=4,(b)确定基本量纲r,.,12,nr=3，三个无量纲量，选定4个基本物理量u,d,为基本物理量,(c)组成三个无量纲量,(d)求解待定指数，以1为例,.,13,.,14,同理：,于是有：,单相、强制对流,.,15,同理，对于其他情况：,自然对流换热：,混合对流换热：,强制对流:,.,16,(1)模化试验应遵循的原则,a模型与原型中的对流换热过程必须相似；,b单值性条件必须相似，已定特征数相等；,c物性相似通过引入定性温度来近似实现,1如何进行模化试验,6-2相似原理的应用,.,17,(a)流体温度：,(2)定性温度、特征长度和特征速度,a定性温度：相似特征数中所包含的物性参数，如：、Pr等，往往取决于温度,流体沿平板流动换热时：,流体在管内流动换热时：,(b)热边界层的平均温度：,(c)壁面温度：,在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如：,使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致,.,18,b特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；,取对于流动和换热有显著影响的几何尺度,不规则槽道：当量直径,当量直径(de),Ac过流断面面积，m2P湿周，m,.,19,.,20,2常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式（241）,.,21,3实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）,通常整理成已定准则的幂函数形式：,式中，c、n、m等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定,.,22,22,幂函数在对数坐标图上是直线,.,23,（1）实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）,（2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）,（3）实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？,回答了关于试验的三大问题：,所涉及到的一些概念、性质和判断方法：,物理现象相似、同类物理现象、物理现象相似的特性、物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度,无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法,相似原理,.,24,自然对流换热：,混合对流换热：,强制对流:,常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义模化试验应遵循的准则数方程,试验数据的整理形式：,.,25,复习,自然对流换热：,强制对流:,.,26,6-3内部强制对流换热实验关联式,一、管槽内强制对流流动和换热的特征1.两种流态层流：过渡区：旺盛湍流：,.,27,2.入口段和充分发展段湍流时:,层流,湍流,层流入口段长度:,.,28,3.两种典型的热边界条件均匀壁温和均匀热流两种。湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计层流：两种边界条件下的换热系数差别明显,.,29,4.特征速度及定性温度的确定特征速度：截面平均流速。定性温度：截面上流体的平均温度或进出口截面平均温度5.牛顿冷却公式中的平均温差对恒热流条件，可取作为。对于恒壁温条件，截面上的局部温差是个变值，应利用热平衡式：,.,30,为质量流量；分别为出口、进口截面上的平均温度；按对数平均温差计算：,.,31,二.管内湍流换热实验关联式1.常规流体（Pr0.6)迪贝斯贝尔特公式：加热流体时冷却流体时式中:定性温度：流体平均温度特征长度：管内径。实验验证范围：适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。,.,32,变物性影响的修正,一般在关联式中引进乘数来考虑不均匀物性场对换热的影响。,.,33,大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1）迪贝斯贝尔特修正公式对气体被加热时，当气体被冷却时，对液体,液体受热时液体被冷却时,.,34,（2）采用齐德泰特公式：定性温度：（按壁温确定），特征长度：管内径实验验证范围为：,.,35,（3）采用米海耶夫公式：定性温度，特征长度：管内径实验验证范围为：,.,36,上述准则方程的应用范围可进一步扩大。（1）非圆形截面槽道特征尺度：当量直径,注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的方法会导致较大的误差。,.,37,（3）螺线管螺线管修正系数：对于气体对于液体,（2）入口段入口段的传热系数较高入口效应修正系数：,以上所有方程适用范围：,.,38,2.液态金属推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：均匀热流边界实验验证范围：均匀壁温边界实验验证范围：特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。,.,39,三.管内层流换热关联式层流充分发展对流换热的结果很多。,.,40,续表,.,41,.,42,定性温度特征长度：管内径管子处于均匀壁温实验验证范围为：,实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式。,.,43,解l/d60.由迪贝斯贝尔特公式,例题6-1水流过长l=5m,壁温均匀的直管时,从=25.3被加热到=34.6.管子的内径d=20mm,水在管内的流速为2m/s,求表面传热系数.,计算,待算出h后再推算壁温,并校核温差是否在适用范围之内.水的平均温度为,以此为定性温度,从附录查得,由此得,流动处于旺盛湍流区.,.,44,由迪贝斯贝尔特公式求h,被加热水每秒内的吸热量为,.,45,用下式计算壁温:,温差,远小于20,在适用范围内,故所求得的即为本题答案.,6.3.4自学,.,46,6-4外部流动强制对流换热实验关联式,外部流动：流动边界层与热边界层能自由发展一.横掠单管换热实验关联式,流动特征：绕流脱体,.,47,局部表面传热系数,10Re1.5105湍流脱体140,e10无脱体,.,48,平均表面传热系数,.,49,可采用以下分段幂次关联式：定性温度：特征长度：管外径特征速度：来流速度实验验证范围：，,.,50,二.横掠管束换热实验关联式,排列方式：叉排顺排,影响管束换热的因素：1）数2）排列方式3）管间距4）管束排数等,.,51,管束的实验关联式（10排以上）定性温度：特征长度：管外径d特征流速：最窄截面处的流速实验验证范围：,管束排数的影响：后排管受前排管尾流的扰动作用直到10排以上的管子才能消失。,.,52,C和m的值见下表,.,53,排数少于10排的管束在上式基础上乘以管排修正系数值见表,.,54,茹卡乌斯卡斯公式：表6-7，6-8定性温度：进出口流体平均温度特征长度：管外径d特征流速：最窄截面处的流速实验验证范围：,.,55,.,56,6-5自然对流换热及实验关联式,1.速度分布2.温度分布,.,57,.,58,流态：层流和湍流层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。,.,59,自然对流换热的准则方程式参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。薄层外,.,60,将此关系带入上式得引入体积膨胀系数：代入动量方程并令改写原方程,.,61,相似分