传热学-第六章5

1、6-4 自然对流换热及实验关联式 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。一、概述：1、自然对流的机理：流体沿壁面流动完全是因为壁面与流体之间存在温差，靠近壁面一层流体受热，密度减小，向上运动，冷流体来补充，因而产生浮升力，这样造成流体的运动而不需要外力。所以，壁面与流体之间的温差是流体产生自然对流和换热的根本原因。2、自然对流的特点：a)如图竖直放置的热壁与冷流体接触，在近壁处会形成温度边界层和速度边界层且 t在贴壁处由于粘性的作用，速度为零，在边界层外缘因没有温差，速度为零，速度分布具有两头小，中间大的形

2、式。tub) 边界层中的温度分布沿y方向单值下降。 v自然对流亦有层流和湍流之分。v层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。v旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。c) 流体沿壁面的流动，开始为层流，随着流体沿壁面的上升，边界层加厚，流动由层流转变为紊流，换热系数随高度变化，在层流段hx随边界层增厚而减小，在过渡区hx开始增加，旺盛紊流， hx基本不变。 自然对流换热可分成大空间和有限空间两类。大空间自然对流：流体的冷却和加热过程互不影响，边界层不受干扰。反之为小空间自然对流。如图两个热竖壁。底部封闭，只要底部开口时，只要 壁面换热就可按大空间自然对流处理。（大空间的相对性）/0.28 ;aH

3、/0.01,bH3、自然对流分类 2222ttttu+ v= a(+)xyxy0uvxy22uuuuvgxyy4、数学描述与准则方程：连续性方程：能量方程：动量方程：TT 1pT为体积膨胀系数，理想气体为过余温度1Tg为浮升力，是边界层内外不同温度下流体的重力差。 在物理上， 数是浮升力/粘滞力的比值。 数的增大表明浮升力作用的相对增大。32gtLGrGrGrGr(,Pr)Nuf Gr利用相似分析方法，可导得自然对流时的准则数称为格拉晓夫数。它完全由单值性条件给出的物理量组成，所以是已定准则。3322RegtVgtL uLgtLGrduduALdydy 浮升力粘性力在自然对流中，用来判别流态用

4、的是Gr数或GrPr的乘积。9Pr10RaGrPrGrRa810Ra 雷利数891010Ra层流过渡紊流在本课程中用Gr数判别流态。(Pr)nNuC Gr；()/2mwtttGrwttt一. 大空间自然对流换热的实验关联式1）由实验可知：气体自然对流关联式为：大空间自然对流中，除了温差、物性影响外，形状及位置也很有关系。如竖圆柱的直径比边界层的厚度大很多时，可认为边界层的发展与表面曲率无关，将圆柱视为竖板。而圆柱直径很小时，却不能视为竖板。式中 c 和 n 查表512定性温度为：数中的定性尺寸为：竖壁和竖圆柱取高；横圆柱取外径D注：竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：1 / 435

5、HdHGr 2 2）若常热流边界条件下的自然对流，往往采用下面方便的专用形式： 式中：定性温度取平均温度 ，特征长度对矩形取短边长。 按此式整理的平板散热的结果示于下表。*(Pr)mNuB Grmt4*2gqLGrGrNu这里流动比较复杂，不能套用层流及湍流的分类。3）若流体为液体，当温压较大时上关联式进行修正：(Pr)nNuC Gr物性变化修正因子，查有关资料。4）当已知热流密度q而要计算局部换热系数，就要用到局部关联式，下式为竖板在层流条件下的局部关联式1*50.6(Pr)xxNuGr定性温度为： 若tw未知，先假设进行试算h，再校核假定值。()/2mwttt*5111010 xGr适用范

6、围： 5）空气在横圆柱外自然对流的统一关联式：11630.360.3630.0914NuGrGr()/ 2mwttt613101.310Gr适用范围：定性温度为：无论是常壁温还是常热流密度，自然对流紊流时的换热规律都表明换热系数 h 是与特性尺度无关的常量。Why? 故在进行模型实验时，只需保证处于紊流状态，而对模型尺寸没有任何要求，称之为自摸区。二. 自然对流与强制对流并存的混合对流2/Re0.1Gr2/Re10Gr在实际对流问题中总是自然对流与强制对流相混合.因为有温差才能换热，而有温差就有自然对流，因而受迫对流中必然存在自然对流。在分析计算时可简化。强制对流，主要是惯性力起作用；自然对流

7、，主要是浮升力起作用，在处理问题时，是否忽略自然对流或强迫对流取决于浮升力与惯性力的比值。322222RegtLGru L浮升力惯性力一般认为：时，自然对流的影响不能忽略而 时，可以忽略强制对流的影响。 自然对流对总换热量的影响低于10的作为纯强制对流； 强制对流对总换热量的影响低于10的作为纯自然对流； 这两部分都不包括的中区域为混合对流。 上 图 为 流 动 分 区 图 。 其 中 数 根 据 管 内 径 及 计算。Grdwfttt。()/2mwfttt混合对流的实验关联式这里不讨论。推荐一个简单的估算方法： 式中： 为混合对流时的 数， 而 、 则为按给定条件分别用强制对流及自然对流准则

8、式计算的结果。两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。n之值常取为3。nnnMFNNuNuNuMNuNuFNuNNu例：置于大气中的油冷器，外壁具有垂直的矩形肋片，肋宽2m，肋高0.8m，肋壁温度85，空气温度15，试计算每一片肋片的散热量。解：定性温度 查物性参数 01()502mfwtttC63Pr0.7110.027817.94 103.1 1031025.28610gtlGr查表5121(Pr)0.113nNuC Grcn368.55.12/NuNuhWmKL2一片散热量：2()1147.2wfhA ttW紊流例：水平放置的蒸汽管道，绝热层外径D=583mm，壁温tw=48，周围空气的

9、温度23，试计算绝热层外的对流换热系数h。解：定性温度 查物性参数 01()35.52mfwtttC631Pr0.7120.026316.55 103.24 1027335.53725.7510gtlGr查表5121(Pr)0.484nNuC Grcn68.283.08/NuNuhWmKD2层流总结：计算步骤1）依据定性温度查物性2）判别流态3）选择合适的公式求Nu4）计算 或 等2,fhL t思考题：1.对流换热是如何分类的? 影响对流换热的主要物理因素.2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程?3.自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别?4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数

10、(表面传热系 数), 其物理机理和数学方法是什么?5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义.6.管外流和管内流的速度边界层有何区别?7.为什么说层流对流换热系数基本取决与速度边界层的厚度?8.为什么温度边界层厚度取决于速度边界层的厚度?9.对十分长的管路, 为什么在定性上可以判断管路内层流 对流换热系数是常数?11.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组?12.如何将边界层对流换热微分方程组转化为无量纲形式?13.为什么说对强制对流换热问题, 总可以有: Nu=f(Re,Pr) 的数学方程形式?14.什么是特性长度和定性温度? 选取特性长度的原则是什么?15.对管内流和管外流, Re准则数中的特性长度的取法是不一 样的. 说明其物理原因.16.当量水利直径的定义和计算方法.17.什么是相似原理? 判断物理相似的条件? 相似原理在工程 中有什么作用?22.使用定理推导准则关系式的基本方法.23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义.24.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法.如何确定 特性长度和定性温度? 25.流体横琼单管和管束时对流换热的计算方法.