传热学课件第六章单相流体对流换热

1、第六章第六章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 第一节 管内受迫对流换热 第二节 外掠圆管对流换热 第三节 自然对流换热 作业 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 1.1.进口段与充分发展段进口段与充分发展段 1.1.对于流动状态：由对于流动状态：由 Re=Re=u um md d/ / 判断判断 一般：Re104 管内流动为旺盛紊流 2300Re.2.对于换热状态对于换热状态 热进口段：热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后， 热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。 热充分发展段：热充分发

2、展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分 发展，故称为。 热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随 x是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf） 将保持不变，即： 0 fw w tt tt x 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次 温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶 定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上 式变为： fw Rr Rr fw w tt r t tt tt r Const h tt r t tt tt r fw Rr Rr f

3、w w 一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 1.1.进口段与充分发展段进口段与充分发展段 2.2.对于换热状态对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有： 上式表明：常物性流体在热充分发展段换热系数h保持不变。 这是热充分发展段的重要特性。 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 2.2.对于换热状态对于换热状态 Re.2.对于换热状态对于换热状态 Re104紊流 入口段充分发展段 x/d h h h hx x（层流）hx，x边界层转入紊流 c hx， x c不变而 hx，x c不变且=R hx不变。 此时hx

4、不变的距离（即进口段长度）：L/d=1045 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 1.1.进口段与充分发展段进口段与充分发展段 3.3.长管与短管长管与短管 一般当L/d60时，称为长管，否则按短管计算。 4.Pr4.Pr数与流动、热进口段长度的关系数与流动、热进口段长度的关系 流动进口段与热进口段不一定相等。只有当Pr=1Pr=1时时两者才相相 等等。 当Pr=Pr= / /11时，相同的x处，t，达到同样的尺寸R时， 流动边界层快些，即流动边界比热边界层更快地管中心线闭合， 此时，流动进口段比热进口段短流动进口段比热进口段短。

5、当Pr=Pr= / /11时相反，此时，流动进口流动进口 段比热进口段长段比热进口段长。 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律 与边界条件有关。 fR m f V R f rudrudfu 00 2 21 p p f c mc t 体的质量单位时间流经该断面流 体的焓值单位时间流经该断面流总焓 断面 R f f turdr uRdfuc tdfuc mp p f t 0 0 0 2 2 一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 2.2.定性参数定性参数 1.1.管内流体平均速度管内流体平均速度u um m 2.2.管内

6、流体平均温度管内流体平均温度 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 2.2.定性参数定性参数 2.2.管内流体平均温度管内流体平均温度 常热流通量边界条件：常热流通量边界条件： 如图，此时：twtf 经分析：充分发展段后： tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时，管内流体的平均温度为： 进口段充分发展段 t x tw/ tf/ tw/ tf/ 2 ff f tt t 其中：tf/、tf/分别为进出口断面流体的平均温度。为方便 起见，一般仍将全管流体的平均温度记作tf。 第一节第一节 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 一、定性分

7、析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 2.2.定性参数定性参数 2.2.管内流体平均温度管内流体平均温度 常壁温边界条件：常壁温边界条件： 设进出口温差分别为t/、t/。 经分析有： 表明tf随x呈对数规律变化。 t x tw=Const tf/ tf/ t/ t/ 此时twtf x Ruc h t t mp 2 exp tf（x） t t tt t t tt m t lnln a.a.若若t/ /t/20 据伯努里方程： zg+p/+u2/2=Const dp/dx0 由于P，迫使近壁流体回流。 涡流绕流脱体。 绕流脱体起点：du/dy=0处。 当Re1.5105时，层流，开始随h，到达分

8、离点分离点 （=8285左右），发生绕流脱体h； 当Re1.5105时，惯性力大，分离点后移至=140左右， 分离点前h的变化同紊流边界层，分离点后分离点后h h又开始回升又开始回升。 0 dx dp 0 dx dp 分离区 p u y面 一、外掠单管一、外掠单管 第二节第二节 外掠圆管对流换热外掠圆管对流换热 相同情况下，顺排的换热效果差。要达到相同的换热效果时， 顺排的泵、风机功耗小，但所需换热设备的面积大，故应综合 考虑排管方式，以达到较高的经济效益。 另在选取流速时，因qu0.60.8，而泵、风机功耗Wu3，故 单纯从经济效益看，低流速可获较高的经济利益。但u换热 面积初投资，故存在一

9、最佳经济流速。 顺排管束 叉排管束 二、外掠管束二、外掠管束 第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热 一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流）一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流） 指热（冷）表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。 一般准则方程式可整理成： Nu=f（GrPr） 一般GrPr109时为紊流，否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热，其准则方程式常可整理成： Num=C（GrPr）mn C、n可参见表6=5，注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令：Ra=Ra=GrGrPrPr Ra Ra为瑞利准则数为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式，常

10、见的 为邱吉尔（Churchill）和朱（Chu）总结的式6-19，20。 第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热 二、有限空间中的自然对流换热二、有限空间中的自然对流换热 流体的流动受周围物体的制约。如双层玻璃窗内空气的自然 对流。当tw1tw2时，会产生二次环流。 tw1 tw2 h 21ww ttq e n m h e GrC Pr 换热为自由流动换热和导热综合作用。 引入当量导热系数e，则可有： 常可整理成准则方程式形式： 式中：定性温度为tm=（tw1+tw2）/2 定型尺寸为： C、m、n见表6-6 第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热 e/=Nu 故e/即为

11、有限空间自由对流换热的努谢尔特数。 另外一般地说： 对于：水平夹层：Gre1700时 垂直夹层：Gre2000时 21ww ttq e h 2121ww e ww e ttttq h 均作纯导热处理 二、有限空间中的自然对流换热二、有限空间中的自然对流换热 据牛顿冷却公式：q=he（tw1-tw2） he为当量对流换热系数。 可改写成： 故有： 此时可认为夹层内无环流产生。 第三节第三节 自自 然然 对对 流流 换换 热热 当Gr/Re210时：作纯自由流动 当Gr/Re20.1时：作纯受迫流动 当0.1Gr/Re210时：作混合流动 横管内混合对流换热可按下式估算： 3 1 3 4 3 1 012. 075. 1 14. 0 GrGzGzNu w f 36. 0 07. 021. 027. 0 PrRe69. 4 L d GrNu 层流： 紊流： 其中Gz=RePrd/L 为格雷茨（Graetz）准则数，定性温度 依然是平均温度tm。 三、自然对流与受迫对流