第6章单相流体对流换热及准则关联式

1、6/6/2022第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 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Chapter SixEmpirical and Practical Relations for Forced-Convection Heat Transfer of single phase Nothing is impossible to a willing heart.CCE BEFE第第6章章 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 Empiri

2、cal and Practical Relations 2contentscontentsv6.1 6.1 管内受迫流动换热管内受迫流动换热 Forced convection in a tube v6.2 6.2 外掠圆管流动换热外掠圆管流动换热 Forced convection across cylinders v6.3 6.3 自然对流换热自然对流换热 Free convection CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 3CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准

3、则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 4 管内对流属于有界流动，它与无界流动的最大区别在于，它的边界层的形成和发展受到壁面的限制和重要影响。它的流动和换热情况都呈现出外部流动所不具有的一些特征。 6.1 管内受迫流动换热 Forced convection in a tubeCCE BEFE6-1-1管内流动边界层 flow boundary-layer in a tube 流动的进口段 (hydrodynamic entry region or developing region) 流动的充分发展段 (fully devel

4、oped region) 入口段充分发展段充分发展段入口段(a)(b)LfddLf层流 紊流 一、流动状况分析从进口处至流动边界层汇合于管中心这一段管长速度分布定型层流充分发展段紊流充分发展段层流进口段紊流进口段CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 6旺盛湍流：旺盛湍流：过渡区：过渡区：层流：层流：流态判断(充分发展段充分发展段)410Re 410Re2300/Redum层流充分发展段0 xu0截面平均速度截面平均速度速度分布(充分发展段)紊流充分发展段Velocity prof

5、ile二次曲线非二次曲线CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 7二、截面平均速度二、截面平均速度 mean velocityf0R02mfVrudrR2udff1uCCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 8三、流动进口段长度三、流动进口段长度 flow entry region层流进口段长度 Lf /d0.05Re紊流进口段长度 10(Lf /d)60 可以肯定它与R

6、e数没有太密切的关系，而且比层流短得多入口段充分发展段充分发展段入口段(a)(b)LfddLf层流 紊流 近似范围CCE BEFE6-1-2管内热边界层和换热分析 管内热边界层和表面传热系数的变化管内热边界层和表面传热系数的变化（a）层流）层流 （b）紊流）紊流0(b)(a)0入口段充分发展段充分发展段入口段热边界层达到闭合前这一区段称为热进口段(Thermal entrance region) ，Lh以后称为热充分发展段(Thermal fully developed region) 热进口段CCE BEFE第第6章章 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 Empiric

7、al and Practical Relations 10PrRe05. 0dLh常物性流体层流层流热进口段长度PrRe07. 0dLh流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于Pr，当Pr 1时，流动进口段比热进口段短；当Pr tf） 4 . 08 . 0PrRe02. 0Nufff冷却流体时（冷却流体时（tw 104 Prf =0.716700 l/d 10 计算时，若壁温未知，则须采用试算法进行，即先假定tw ，再用最后的结果进行校核。 修正项CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Rela

8、tions 23西得-塔特（Sieder-Tate）关联式的修正液体： 气体： nwf)/(nwfTT)/(式中n0.11（加热时）；n=0.25（冷却时） 式中n0.55（加热时）；n=0（冷却时） 还有一些文献则建议，不管是液体或气体，都用（Prf/Prw)0.25作为修正项。当然，不同的修正方法，关联式右边的常数项可能不同。14. 03/18 . 0)/(PrRe027. 0NuwffffCCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 24 只要只要Pr0.7Pr0.7，对于紊流，常

9、壁温，对于紊流，常壁温边界条件下的关联式亦可适用于常热边界条件下的关联式亦可适用于常热流边界条件。流边界条件。 迪图斯贝尔特（迪图斯贝尔特（Dittus-Boelter）公式）公式,西得-塔特（Sieder-Tate）公式:它们的偏差有可能高达25%之多但是:以上得到的关联式都只能应用在速度和温度场的充分发展段 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 25上述准则方程的应用范围可进一步扩大。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）非圆形截面槽道 用当量直径用当量直

10、径(equivalent diameter)作为特征尺度应用到上作为特征尺度应用到上述准则方程中去。述准则方程中去。 式中：式中： U 为槽道的流动截面积；为槽道的流动截面积；f 为湿周长。为湿周长。 注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的注：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。方法会导致较大的误差。Uf4deCCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 26 （2 2）螺旋管）螺旋管 螺旋管螺旋管强化了换热。对此有螺线强化了换热。对此有螺线 管修正

11、系数：管修正系数： 对于气体对于气体对于液体对于液体RdR1.771310.31RdRR螺旋管曲率半径，m。d管直径，m。 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 27迪图斯贝尔特（迪图斯贝尔特（Dittus-Boelter）公式：）公式： 加热流体时（加热流体时（tw tf） 4 . 08 . 0PrRe02. 0Nufff冷却流体时（冷却流体时（tw tf） 3 . 08 . 0PrRe023. 0Nufff),(2 . 04 . 08 . 04 . 06 . 08 . 0dc

12、ufhp影响最大u: 1m/s15m/s，h: 增加40%左右。 展开,以观察实际各量的影响CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 28Example 6-1 一台管壳式蒸汽热水器，水在管一台管壳式蒸汽热水器，水在管内流速内流速m=0.85m/s，全管水的平均温，全管水的平均温度，度，tf=90，管壁，管壁tw=115不，管长不，管长1.5m，管内径，管内径d=17mm，试用式（，试用式（65）计算表面传热系数。）计算表面传热系数。 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准

13、则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 29Example 6-2 某厂燃气某厂燃气空气加热器，已知管内径空气加热器，已知管内径d=0.051m，每根管内空气质流量，每根管内空气质流量M=0.0417kg/s，管长，管长l=2.6m，空气进口温，空气进口温度度tf=30，壁温保持，壁温保持tw=250，试计算该，试计算该加热器管内的表面传热系数。加热器管内的表面传热系数。CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 30E

14、xample 6-3v某厂在改进换热器时，把圆管改制成椭圆形某厂在改进换热器时，把圆管改制成椭圆形断面管（设改制后周长不变）。已知椭圆管断面管（设改制后周长不变）。已知椭圆管内的长半轴内的长半轴a=0.02m,短半轴短半轴b=0.012m，试计，试计算在同样流量及物性条件下，椭圆管与圆管算在同样流量及物性条件下，椭圆管与圆管相比，其管断面积，当量直径，流速，相比，其管断面积，当量直径，流速，Re，Nu，h及压降等的变化比。及压降等的变化比。 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations

15、31二、层流换热(光滑管)14. 03/13/13/1)()(PrRe86. 1Nuwffffld14. 03/1)()Pe(86. 1Nuwfffld或 常壁温层流条件下的西得塔特公式 适用范围 0.48Pr16700)(wf0.0044 9.75 定性温度： 全管长流体平均温度tf 定型尺寸： 管内径d 没有考虑自然对流的影响，而在流速低、管径粗或温差大的情况下，很难维持纯粹的受迫层流，自然对流的影响不容忽略。 既包含入口段，又包含一部分充分发展段 2)()Pr(Re14. 03/1wfldd必须满足 CCE BEFE第第6章章 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 E

16、mpirical and Practical Relations 3236. 4Nuf66. 3Nufq=const tw=const 层流热充分发展段管内常热流层流换热比常壁温约高20% (管子很长,进口段影响小)CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 33三、过渡流换热略四、粗糙管壁的换热粗糙管： 铸造管、冷拔管、热拉管和普通轧制钢板卷制的螺旋板换热器 须考虑粗糙度的影响 采用两传类比方法计算表面传热系数！ CCE BEFE2/CPrStf3/22/CPrStx ,f3/2x柯

17、尔朋类比律22mudlfp管内流动摩擦系数与压降的关系： 24dpdlw力的平衡： ldpw428mwuf2/CuuchStf2wp2mwmpuuch8fSt 8Pr3/2fSt定性温度tf 雷诺类比Pr1Pr=1Pr1CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 35摩擦系数 f 决定于壁面粗糙度和雷诺数Rem 274. 1)lg(2skRf也可用实验测定紊流时：粗糙度增加，摩擦系数变大，表面传热系数也随之增大 层流时：综合的效果显现换热与粗糙度无关 粗糙度对换热的影响Re64f粗糙点

18、能增强换热，缩小设备面积，节约设备投资，并带来其他效益，但阻力的增加使泵功率消耗加大，运行费用增加。因此，只有在增强换热是主要目的的场合下，才宜采用提高粗糙度来增强传热。 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 36Example 6-4水以水以1.5m/s的速度流过的速度流过25mm，l=5m，p5.6kPa，管壁，管壁tw=90，进出口水，进出口水温分别为温分别为25和和50，试从类比律计，试从类比律计算表面传热系数。并与按光滑管计算算表面传热系数。并与按光滑管计算的结果比较。

19、的结果比较。 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 376-1-3 外掠圆管对流换热 convection across cylinders 一、外掠单管 flow across a cylinder二、外掠管束 flow across tube banks CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 38 外部流动：外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由换热壁

20、面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。发展，不会受到邻近壁面存在的限制。 横掠单管：横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。一、外掠单管 flow across a cylinderCCE BEFE分离点(脱体点)紊流的分离点(separation point)位置后于层流 Re10，不会出现分离现象 Re1.5*105 ，紊流,=140ouu分离区由Re决定CCE BEFE 边界层的成长和脱体决了边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征

21、。外掠圆管换热的特征。常热流条件下圆管壁面局部Nu分布 外掠圆管的温度场光干涉图象层流向紊流转变点层流脱体点紊流边界层换热最强点紊流边界层脱体点CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 41nfwfffCRe)PrPr(PrNu25. 037. 0茄卡乌斯卡斯公式 RefCn14040110311032105210511060.750.510.260.0760.40.50.60.7定性温度：主流温度定型尺寸：为管外径 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对

22、流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 42CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 43v外掠管束在换热器外掠管束在换热器中最为常见。中最为常见。v通常管子有通常管子有叉排叉排和和顺排顺排两种排列方式。两种排列方式。叉排换热强、阻力叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。损失大并难于清洗。v影响管束换热的因影响管束换热的因素除素除Re,Pr 数数外，还有：叉排或外，还有：叉排或顺排；管间距；管顺排；管间距；管束排数等。束排数等。二、外掠管束

23、 Aligned tubesstaggered tubesflow across tube banksCCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 44管束换热的关联式为： ,)PrPr(Pr,Re,Nu2125. 0zwfdSdSf幂函数形式： zpwfmnSSC)()PrPr(PrReNu2125. 0定性温度：流体在管束中的平均温度定型尺寸：管外径Re中的流速：管束中的最大流速CCE BEFE第第6章章 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 Empirical

24、and Practical Relations 45Example 6-5 试求空气流过管束加热器的表面传热系数。已知管束为5排，每排20根管，长为1.5m，外径d=25mm，叉排S150mm，S237.5mm，管壁tw=110，空气进口温度tf=15，空气流量V05000Nm3/h。 CCE BEFE自然对流：自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身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。度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。6.3 自然对流换热自然对流换热 free

25、convection无限空间自然对流换热有限空间自然对流换热流体处于相对很大的空间，边界层的发展不受限制和干扰 流体空间相对狭小，边界层无法自由展开 浮升力实际上来自流体的密度梯度以及与该密度梯度成正比的体积力的联合作用 流体自然对流状态是浮升力(Buoyancy force)与粘滞力(viscous force)相互矛盾和作用的结果。CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 47v自 然 对 流 亦 有 层 流自 然 对 流 亦 有 层 流(laminar flow)和湍流和湍流(

26、turbulent flow)之分。之分。v层流时，换热热阻主要取层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。决于薄层的厚度。v旺盛湍流时，局部表面传旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。热系数几乎是常量。CCE BEFE6-3-1 无限空间自然对流换热层流到紊流的转变点: GrPr=109 (tw=const)23vtlgGravPr在y=0和y处，u均为0 31yu的最大值出现在:y=0，t=twyt，t=tf 流动边界层热边界层Gr是浮升力是浮升力/粘滞力比值粘滞力比值的一种量度。的一种量度。 Gr数的增数的增大表明浮升力作用的相大表明浮升力作用的相对增大。对增大。CCE BEFE第第6章章

27、 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 Empirical and Practical Relations 49hx的变化CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 50动量方程 )yuxu(xpX)yuxuuu2222（22)(yuxpgyuxuu二维稳态层流边界层二维稳态层流边界层 twtf 密度与温度保持线性关系密度与温度保持线性关系 流体物性为常量流体物性为常量 物理模型物理模型: =0g2CCE BEFE22)(yuxpgyuxuu22)()(yuttgy

28、uxuuffwftttt22020Re1YUutlgYUVXUU20ReGr反映了浮升力的相对大小 无量纲化CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 5222020Re1YUutlgYUVXUU22ytaytxtu自然对流准则关联式 nnCPr)(CNuRaGr表6-5列出了各种情况下自然对流换热准则关联式的C及n值 定性温度 2fwmttt含温度变量联立求解动量方程能量方程CCE BEFE6-3-2 有限空间自然对流换热扁平矩形夹层 因受到狭窄空间形状以及各相邻表面的约束，流体的流

29、动和换热状况往往比较复杂。 竖立倾斜水平 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 54竖壁封闭夹层竖壁封闭夹层 (1)夹层厚度 与高度H之比 /H较大（大于0.3），冷热两壁的自然对流边界层互不干扰，如图中的(a)，相当于处在大空间中一样，可用无限大空间的相应公式进行计算。 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 55竖壁封闭夹层竖壁封闭夹层 （2）在夹层内冷热两股流动

30、边界层会相互交织在一起，出现若干个行程较短的环流，如图中的(b)；夹层内的流动特征取决于以厚度为定型尺寸的 23Grtg PrGr 或 GrGr在低时为层流，高下具有紊流特征。 CCE BEFE第第6章章 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 Empirical and Practical Relations 56竖壁封闭夹层竖壁封闭夹层 （3）两壁的温差与夹层厚度都很小， Gr很低，即Gr2000时，可认为夹层没有流动发生，通过夹层的热量可按纯导热过程计算，此时Nu=1。CCE BEFE第第6章章 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 Empirical an