传热学第4章(n)

1、1第四章第四章 对流换热对流换热第四章第四章 对流换热对流换热24.1 4.1 对流换热概述对流换热概述1 对流换热的定义和性质对流换热的定义和性质对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象热量传递现象 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式是基本传热方式第四章第四章 对流换热对流换热3(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； 也必须有温

2、差也必须有温差(3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2 对流换热的特点对流换热的特点3 对流换热的基本计算式对流换热的基本计算式W )(tthAw2mW )( fwtthAq牛顿冷却式牛顿冷却式:第四章第四章 对流换热对流换热44 表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热系数） 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量积上、单位时间内所传递的热量)( ttAhwC)(mW2 如何确定如何确定h及增强换

3、热的措施是对流换热的核心问题及增强换热的措施是对流换热的核心问题研究对流换热的方法：研究对流换热的方法： （1）分析法）分析法 （2）实验法）实验法 （3）比拟法）比拟法 （4）数值法）数值法第四章第四章 对流换热对流换热55、影响、影响h的因素的因素1.起因起因 free convection , forced convection2.流动状态流动状态 laminar flow , turbulent flow3.有无相变有无相变 相变换热相变换热 无相变时的对流换热无相变时的对流换热4.物性物性 c 5.5.几何形状几何形状如：管内强制对流如：管内强制对流),(cdufh 第四章第四章 对

4、流换热对流换热6凝结沸腾有相变有限空间大空间自然，管束外流，外掠平板，单管湍层管槽内流强制无相变对流换热 6 6 对流换热的分类对流换热的分类自然强制hh层流湍流hh单相相变hh第四章第四章 对流换热对流换热7 当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴壁处当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴壁处被滞止，被滞止，处于无滑移状态（即：处于无滑移状态（即：y=0, u=0y=0, u=0）在这极薄的贴壁流体层中，在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递热量只能以导热方式传递根据傅里叶定律：根据傅里叶定律：y=0 tqy 三对流换热微分方程式三对流换热微分方程式(联系温度分布与表

5、面传热系数联系温度分布与表面传热系数)贴壁处壁面法线方向上的流贴壁处壁面法线方向上的流体温度变化率体温度变化率流体的导热系数流体的导热系数即可得到即可得到对流换热过程微分方程式对流换热过程微分方程式0|yytttqht hq牛顿冷却公式牛顿冷却公式:第四章第四章 对流换热对流换热8温度场温度场特别是壁面附特别是壁面附近的温度分布近的温度分布温度场温度场受到流场的影响受到流场的影响流场流场温度场温度场Energy Eq.Energy conservation lawContinuity Eq.Momentum Eq. Momentum conservation lawMass conservat

6、ion law对流换热微分方程式对流换热微分方程式4.2 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述0|yytttqh第四章第四章 对流换热对流换热9假设：假设：流体为连续性介质；流体为连续性介质；不可压，牛顿型yu常物性，常物性，所有物性参数（所有物性参数（ 、cp、 、 ）为常量）为常量无无v v忽略粘性耗散忽略粘性耗散以二维对流换热为例来分析。以二维对流换热为例来分析。 即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守即：服从牛顿粘性定律的流体；而油漆、泥浆等不遵守该定律，称非牛顿型流体。该定律，称非牛顿型流体。第四章第四章 对流换热对流换热101 dyummmmmxdyydxxyx0

7、yvxudydxyvmmydyy1)(vdxmdydxxumdxxmmmyxxxdxx一、连续型方程（质量守恒方程）一、连续型方程（质量守恒方程）0 yvxuc不可压不可压第四章第四章 对流换热对流换热11二、动量微分方程（速度控制方程）二、动量微分方程（速度控制方程）依据：动量守恒依据：动量守恒22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuYx惯性力项（惯性力项（mama）体积力体积力压强梯度压强梯度粘性力粘性力牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率的总和等于控制体中流体动量的变化率作用力作用力

8、 = 质量质量 加速度（加速度（F=ma）作用力：体积力作用力：体积力(重力、离心力、电磁力重力、离心力、电磁力) 表面力表面力(压力、粘性力）压力、粘性力）第四章第四章 对流换热对流换热12三、能量微分方程（温度控制方程）三、能量微分方程（温度控制方程）依据：能量守恒定律依据：能量守恒定律净导入热量净导入热量(1) +净宏观流入热量净宏观流入热量(2)=微元体焓增量（微元体焓增量（3） dxxtdydxxxtdyxxxdxxxdyyydxxx2211dyytdxytdyydyyy221 dydxytxt22221第四章第四章 对流换热对流换热13 dxtutdyCdxxtCdyutCmpxx

9、xdxxppxdyyydxxx 12 dydxyvtxutCdyyvtdxCtCdxvppydyypy 21第四章第四章 对流换热对流换热14 tCyvtxutCytxttCdxdyppp222232113）得：（）（）由（非稳态项非稳态项对流项对流项扩散项扩散项(导热引起导热引起)2222ytxtaytvxtut第四章第四章 对流换热对流换热15对流换热微分方程组对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可常物性、无内热源、二维、不可 压缩牛顿流体压缩牛顿流体)2222ytxtytvxtutcp)()()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（xu

10、0yv5个方程，个方程，5个未知量个未知量 可求得速度场可求得速度场(u,v)、温度场、温度场(t)、压力场压力场(p)和和h, 既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）0|yfwyttth第四章第四章 对流换热对流换热16四、单值性条件四、单值性条件n单值性条件包括四项：几何、物理、初始、边界单值性条件包括四项：几何、物理、初始、边界n完整数学描述：对流换热微分方程组完整数学描述：对流换热微分方程组 + 单值性条件单值性条件(1) 几何条件几何条件(2) 物理条件物理条件说明对流换热过程的物理特征说明对流换热过程的物理特征(3) 初始条件初始条件(4) 边界条

11、件边界条件说明对流换热过程的边界特点，边界说明对流换热过程的边界特点，边界u,v,p,t热边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件热边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件a 第一类边界条件第一类边界条件 已知对流换热过程边界上的已知对流换热过程边界上的温度值温度值b 第二类边界条件第二类边界条件已知对流换热过程边界上的已知对流换热过程边界上的热流密度值热流密度值tpvu, 0第四章第四章 对流换热对流换热174.3 边界层边界层边界层概念：边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的度很大的流动边界层流动边界层；当壁面与流体间有温差时，

12、也会产；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的生温度梯度很大的温度边界层温度边界层（或称热边界层）（或称热边界层）1904年，德国科学家普朗特年，德国科学家普朗特 L.Prandtl第四章第四章 对流换热对流换热18一、速度边界层一、速度边界层n定义：定义：u/u =0.99 mm51000mmx两区域：边界层区两区域：边界层区 主流区主流区l紊流紊流层流层流边界层内存在较大的速度梯度边界层内存在较大的速度梯度(考虑粘性）考虑粘性）边界层内速度边界层内速度梯度大，考虑梯度大，考虑粘性力粘性力边界层外按理边界层外按理想流体处理想流体处理20 u=16m/s uLxLyuAma粘性力惯性力

13、Re第四章第四章 对流换热对流换热19层流底层层流底层缓冲层缓冲层u湍流湍流过渡流过渡流层流层流cxyx 流体外掠平板时的流动边界层流体外掠平板时的流动边界层临界距离临界距离：x xc c平板：平板：临界雷诺数临界雷诺数：Reccccxuxu Re565105Re ;103103Recc取uxccRe第四章第四章 对流换热对流换热20二、热边界层二、热边界层( (温度边界层温度边界层) )thermal boundary layer 定义：在对流换热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的薄层定义：在对流换热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的薄层称为称为温度边界层温度边界层或或热边界层热边界层。第四

14、章第四章 对流换热对流换热21Tw%99wwtttt t 热边界层厚度热边界层厚度99. 0 ,0 , 0wtwwTTyTTyn层流层流：温度呈抛物线分布：温度呈抛物线分布n湍流湍流：温度呈幂函数分布：温度呈幂函数分布湍流换热比层流换热强！湍流换热比层流换热强！LwtwyTyT,第四章第四章 对流换热对流换热22热边界层：热边界层：温度场分为两区域：热边界层区、主流区；温度场分为两区域：热边界层区、主流区；热边界层区内温度梯度大；热边界层区内温度梯度大；t t11tPr1 ， z方向取单位长度方向取单位长度dxdyudxddyucdll0202:dxlabdcdylabcdbclabcdlab

15、lbcdxudydxdmmmdxudydxdmmudymdxudydxduumbc0000 :第四章第四章 对流换热对流换热372.微元体所受外力之和微元体所受外力之和FldxdxdpdxFldxdxdppcdlpabdxadww)(:1:dxlabdc 002lwlldxdpudydxdudyudxdlldxudydxdudxdyudxd002)3() 1 ()2(动量动量变化变化第四章第四章 对流换热对流换热38wllldxduuudydxdudyuuudxd)()(00000|)()(ywllyudyuudxdudyuuudxd对于平板对于平板 ) 1 ( |)(0yoyudyuuudx

16、d第四章第四章 对流换热对流换热39llludydxduudydxduudyudxd000)(1)(1)成为成为ldxdpudydxduudyudxddyudxdwlll0002)(llludydxduudyudxdudydxdu000)(wllldxduuudydxdudyuuudxd)()(00000|)()(ywllyudyuudxdudyuuudxd对于平板对于平板 ) 1 ( |)(0yoyudyuuudxd第四章第四章 对流换热对流换热40cdadbcablplpabutdyctcdyu001dxutdydxdclpabcd0lppbcbcdxudydxdtctcm0二、边界层能量

17、积分方程二、边界层能量积分方程dxlabdc在边界层数量级分析中已经得出，可在边界层数量级分析中已经得出，可以只考虑固体壁面在以只考虑固体壁面在y方向的导热。方向的导热。labcdbcdxudydxdmmm0第四章第四章 对流换热对流换热410|1yabytdxlpylputdydxdcytudydxdtc000|)2( |)(00ypytcdyttudxdt两个方程，两个方程，4个未知量：个未知量：u, t, , t 。要使方程组封闭，还必须补。要使方程组封闭，还必须补充两个有关这充两个有关这4个未知量的方程。这就是关于个未知量的方程。这就是关于u 和和 t 的分布方程。的分布方程。能量积分

18、能量积分方程方程) 1 ( |)(0woyudyuuudxd动量积分动量积分方程方程第四章第四章 对流换热对流换热42三、补充方程（辅助方程）三、补充方程（辅助方程）332210yayayaau332210ybybybbttw根据边界条件：根据边界条件：0,0, 0, 022yuuuyyuuy21,230, 03120aaaa假设为三次假设为三次多项式分布多项式分布假设为三次假设为三次多项式分布多项式分布(4) )(2123(3) )(212333ttyyyyuu第四章第四章 对流换热对流换热43 Re64. 421xx)Re0 . 5( 21x微分方程解四、积分方程组求解四、积分方程组求解)

19、2( |)(00ypytcdyttudxdt) 1 ( |)(0woyudyuuudxd(4) )(2123(3) )(212333ttyyyyuu Re646. 021212xwfuC)Re664. 0(21x微分方程解 026. 1131rtP第四章第四章 对流换热对流换热441、将、将(3)(3)代入代入带入动量积分方程带入动量积分方程(1)(1)，并积分，并积分 23280392udxdu |)(0yoyudyuuudxd Re64. 464. 421xxux)Re0 . 5( 21x微分方程解将上式代入将上式代入(3)(3)u分布，分布， u( (x, ,y) )xywuxuudyd

20、uRe323. 064. 412320四、积分方程组求解四、积分方程组求解 )(2123 3yyuu第四章第四章 对流换热对流换热45 Re646. 021212xwfuC)Re664. 0(21x微分方程解 |)(00yptytcdyttudxd00)( ytyadyudxd在工程中常使用局部切应力与流体动压头之比这个无量纲量，在工程中常使用局部切应力与流体动压头之比这个无量纲量，并称之为范宁摩擦系数，简称摩擦系数并称之为范宁摩擦系数，简称摩擦系数2、将、将，u及及(4)(4)代入代入能量积分方程能量积分方程(2)(2)，积分，积分Pr 1 时时 026. 1131rtPxt213131Re

21、Pr52. 4026. 1Pr21Re292. 1xfmc平均摩擦系数：平均摩擦系数：代入代入(4) t(x,y)第四章第四章 对流换热对流换热4631213121PrRe664. 0PrRe332. 0llxxNuNu注意注意: :与微分方程区别（特点）与微分方程区别（特点）31210)(332. 0rywxPxuxyttth1 )(myuum湍流：湍流：与微分方程解完与微分方程解完全相同全相同适用于：适用于：Pr 1，层流，层流）（5105Re（1）近似解）近似解（2）简单，可用于湍流）简单，可用于湍流第四章第四章 对流换热对流换热474.5 动量传递和热量传递的比拟动量传递和热量传递的比

22、拟uuuvvv稳态：稳态：0000022vu, v, u, v, u一、湍流动量传递一、湍流动量传递yuuvtt )( 湍流切应力uuut湍流粘度（湍流动量扩散率）湍流粘度（湍流动量扩散率）第四章第四章 对流换热对流换热48二、湍流热量传递二、湍流热量传递tttytac )yt (qtvctcvqtlppt 湍流导温系数湍流导温系数yuttl)(tttaPr 湍流湍流Pr数数ytaacqqqtptl)(ta第四章第四章 对流换热对流换热492222)()(ytaaytvxtuyuyuvxuuttttuutyttuyw )( 0 0三、雷诺比拟三、雷诺比拟流体外掠等温平板的湍流换热流体外掠等温平

23、板的湍流换热速度、温度速度、温度控制方程控制方程边界条件：边界条件：引入下列无量纲量将方程及边界无量纲化：引入下列无量纲量将方程及边界无量纲化：wwttttlxx *lyy*uuu*uvv*第四章第四章 对流换热对流换热502*2*2*2*)(1)(1yaaluyvxuyuluyuvxuutt1 1/0 000 uv vl uy v u yt*雷诺认为：由于湍流切应力雷诺认为：由于湍流切应力 和湍流热流密度均由脉动所和湍流热流密度均由脉动所致，因此，可以假定：致，因此，可以假定：湍流普朗特数湍流普朗特数如果如果1Pr ，方程及边界条件完全相同，则解完全相同。方程及边界条件完全相同，则解完全相同

24、。1Prttta第四章第四章 对流换热对流换热5100*yyyyuRe212121220fwyculuuyuul左Nulhlttqytttllyttttwywyw00)()/()(右80Re029602Re.fu.cN Re0592. 02 . 0fc对于对于 , 1rP318 . 0PrRe0296. 0 Nu 适于适于湍流湍流5105Re契尔顿柯尔本比拟（修正雷诺比拟）契尔顿柯尔本比拟（修正雷诺比拟）60Pr6 . 0第四章第四章 对流换热对流换热52当平板长度当平板长度 l 大于临界长度大于临界长度xc 时，平板上的边界层由层时，平板上的边界层由层流段和湍流段组成。其流段和湍流段组成。其

25、Nu分别为：分别为：则平均对流换热系数则平均对流换热系数 hm 为为:dxxudxxulhlxxmcc3154021210296. 0332. 031545421Pr)Re(Re037. 0Re664. 0ccmNu如果取如果取 ，则上式变为：，则上式变为：5105Rec3154Pr)871Re037. 0(mNu113241530.332 RePr0.0296 RePrcxcxxxNuxxNu时，层流，时，湍流，第四章第四章 对流换热对流换热535105Recr横掠平板横掠平板总结：总结：318 . 0315 . 0PrRe0296. 0PrRe332. 0 xxxxNuNu湍：层：局部局部

26、换热换热平均平均换热换热315 . 0PrRe664. 0 mNu层：层：318 . 0PrRe037. 0 mNu湍：湍：318 . 0Pr)871Re037. 0( mNu层层+湍：湍：第四章第四章 对流换热对流换热54一、重要性一、重要性(1) 变量多工作量大；变量多工作量大；(2)变量之间可能互相制约；变量之间可能互相制约；(3)参数难以达到或试验成本高；参数难以达到或试验成本高；(4)没有通用性。没有通用性。) , , , , , , , ,(lcttvfhpfw4.6 4.6 相似原理相似原理相似原理可以回答如下问题：相似原理可以回答如下问题：q 如何安排实验？并应该测量哪些量？如

27、何安排实验？并应该测量哪些量？q 实验后如何整理实验数据？实验后如何整理实验数据？q 获得的结果可以推广应用的条件是什么？获得的结果可以推广应用的条件是什么？第四章第四章 对流换热对流换热55二、相似的概念二、相似的概念( (similarity,similar) )1.1.几何相似几何相似图形各对应边成比例图形各对应边成比例 llabchcabchc相似倍数 a b h ccahb第四章第四章 对流换热对流换热56. . 物理量物理量场相似场相似 同名的物理量在所有同名的物理量在所有对应时刻、对应地点的对应时刻、对应地点的数值成比例。数值成比例。uCuuuuuuuumaxmax332211.

28、例：流体在圆管内稳态例：流体在圆管内稳态流动时速度场相似，则流动时速度场相似，则第四章第四章 对流换热对流换热57. .物理现象相似物理现象相似对于两个对于两个同类同类的物理现象，如果在相应的时刻与的物理现象，如果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，相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。则称此两现象彼此相似。 如，对于两个稳态的对流换热现象，如果彼此相如，对于两个稳态的对流换热现象，如果彼此相似，则必有换热面的几何形状相似、温度场、速度似，则必有换热面的几何形状相似、温度场、速度场及物性场相似等。场及物性场相似等。 同类现象同类现象是指用相

29、同形式和内容的微分方程式是指用相同形式和内容的微分方程式（控制方程（控制方程+ +单值性条件方程）所描述的现象。单值性条件方程）所描述的现象。不同类不同类现象现象( (如电场与温度场如电场与温度场) )，analogy/similarity第四章第四章 对流换热对流换热58相似的物理现象相似的物理现象: : 统一的物理量的场描述统一的物理量的场描述 图图6 61 1 圆管内层流充分发展流动的速度分布圆管内层流充分发展流动的速度分布 第四章第四章 对流换热对流换热59二、相似原理二、相似原理1、相似的性质（相似第一定理）、相似的性质（相似第一定理）（1） 同类现象同类现象（2） 几何形状相似几何

30、形状相似（3） 温度场、速度场相似温度场、速度场相似（4） 热物性场相似热物性场相似彼此相似的现象，它们的同名准则数必定相等彼此相似的现象，它们的同名准则数必定相等.相似条件：相似条件： 相似原理表述物理现象相似原理表述物理现象相似的性质相似的性质、相似准则间相似准则间的关系的关系及及相似判别的准则相似判别的准则。第四章第四章 对流换热对流换热602、判别相似的条件（相似第三定理）、判别相似的条件（相似第三定理）凡同类现象，如果单值性条件相似，同名的已定准则数相等，凡同类现象，如果单值性条件相似，同名的已定准则数相等，则两现象必定相似。则两现象必定相似。3、定理（相似第二定理）定理（相似第二定

31、理）n个物理量，个物理量， r 指个基本量纲。则有指个基本量纲。则有n - r 个独立的无量纲物理量。个独立的无量纲物理量。7n如：管内强制对流换热如：管内强制对流换热4r347 Pr)(Re, fNu Pr),( Pr)(Re, GrfNufNu自然对流强制对流(Re) fNu 空气),(pcdufhNu 待定特征数待定特征数 （含有待求的（含有待求的 h）ReRe，PrPr，GrGr 已定特征数已定特征数基本量基本量第四章第四章 对流换热对流换热614、在实验中的应用、在实验中的应用相似原理全面回答了实验研究中会遇到的三个问题：相似原理全面回答了实验研究中会遇到的三个问题：实验结果应整理成

32、特征数间的关联式实验结果应整理成特征数间的关联式实验结果可以推广应用到与实验相似的情况实验结果可以推广应用到与实验相似的情况实验时，应当以相似特征数作为安排实验的依据并实验时，应当以相似特征数作为安排实验的依据并 测量各特征数中包含的物理量测量各特征数中包含的物理量第四章第四章 对流换热对流换热62（3）21PrPr )Pr,(Re222fNu 2121)()( ,ReRelulu（2）21NuNu )Pr,(Re111fNu 例：叶片表面强制对流换热实验例：叶片表面强制对流换热实验（1）几何相似）几何相似第四章第四章 对流换热对流换热63三、取得准则数的方法三、取得准则数的方法1、相似分析、

33、相似分析(1) 10111111yytth现现象象(2) 20222222yytth现现象象1与与2相似相似(3) 221212121CyyCtt CChhth将将(3)(3)代入代入(1)(1)ltythCCyttCChC0222222)(22222yttCCChLh与与(2)(2)比较比较1 1212121/yy/hh/CCClh21111222Nu Nuyhyhhl Nu 第四章第四章 对流换热对流换热642、量纲分析、量纲分析常见准则数的定义、物理意义和表达式常见准则数的定义、物理意义和表达式第四章第四章 对流换热对流换热653.4 内部流动强制对流换热实验关联式内部流动强制对流换热实

34、验关联式外部流动与内部流动的区别外部流动与内部流动的区别外部流动外部流动是指流体边界层的发展一般不会受到阻碍的流动是指流体边界层的发展一般不会受到阻碍的流动内部流动内部流动过程中，固体表面上流体在其成长过程中可能受到过程中，固体表面上流体在其成长过程中可能受到另一侧固体表面的限制，形成边界层干扰或汇合另一侧固体表面的限制，形成边界层干扰或汇合第四章第四章 对流换热对流换热66湍流过渡层流44101023002300Re一、一般分析一、一般分析/0.05 Re Prld热边界层薄，表热边界层薄，表面传热系数高面传热系数高1、充分发展段和入口段。、充分发展段和入口段。第四章第四章 对流换热对流换热

35、672、热边界条件、热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种有均匀壁温和均匀热流两种均匀热流均匀热流 均匀壁温均匀壁温湍流：湍流：除液态金属外，两种热边界条件的差别可不计除液态金属外，两种热边界条件的差别可不计层流：层流：两种热边界条件下的换热系数差别明显。两种热边界条件下的换热系数差别明显。第四章第四章 对流换热对流换热68对于对于恒壁温恒壁温条件，截面上的局部温差是个变条件，截面上的局部温差是个变值，应利用热平衡式：值，应利用热平衡式：3. 牛顿冷却公式中的平均温差牛顿冷却公式中的平均温差()wfttmt对对恒热流恒热流条件，可取条件，可取 作为作为 。lnffmwfwftttttttftftm

36、thA第四章第四章 对流换热对流换热69二、管内湍流实验关联式二、管内湍流实验关联式却30加热40PrRe023080冷 . . n.Nnf.fu1、实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特、实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特Dittus-Boelter公式：公式：对于短管、弯管和大温差情况需要修正。对于短管、弯管和大温差情况需要修正。注意：注意：定性温度定性温度 )(21ttt 特征尺度特征尺度 P/4Ade特征速度特征速度 截面平均流速截面平均流速 适用范围适用范围 1207 . 0Pr 102 . 110Re54f。/60ld中等以下温差，直管中等以下温差，直管气气50水水20- 0油油10AVum/

37、第四章第四章 对流换热对流换热70 C CC.Nrtlnf.fuPrRe0230807 . 0)(1,60/ldCdll时1、入口效应修正系数、入口效应修正系数Cl 对于短管、弯管和大温差情况需要修正。对于短管、弯管和大温差情况需要修正。第四章第四章 对流换热对流换热712、温度修正因子、温度修正因子Ct 气冷却冷却液气加热液加热 1 1)( 1)( 1)(25. 05 . 011. 0wfwfwftTTC 温差较大时修正温差较大时修正v截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。第四章第四章 对流换热对流换热723、弯管修正系数、弯管修正系数rC

38、气：气：RdCr77. 11 液：液：3)( 3 .101RdCr螺线管中二次环流强化了换热。螺线管中二次环流强化了换热。对此有弯管修正系数：对此有弯管修正系数：第四章第四章 对流换热对流换热73注意注意：定定性温度性温度 特性长度特性长度 uA dde4 内 特征速度特征速度 截面平均流速截面平均流速 AVum 适用范围适用范围 1207 . 0Pr 102 . 110Re54fftttt )(21为入口截面平均温度为入口截面平均温度注：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。第四章第四章 对流换热

39、对流换热74 以上公式仅适用于以上公式仅适用于 的气体或的气体或液体。液体。 对对 数很小的液态金属，换热规律数很小的液态金属，换热规律完全不同。完全不同。 推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：准则式：Pr0.6Pr0.8274.820.0185ffNuPe均匀热流边界均匀热流边界100fPe 。0.85.00.025ffNuPe35Re3.6 10 9.05 10,f2410 10fPe 。均匀壁温边界均匀壁温边界第四章第四章 对流换热对流换热75、 Gnielingski 公式 tfffcldffNu323211Pr87 .121Pr0001Re8200

40、5. 0PrPrPrPr01. 0wfwftc0.450.5 1.5fftwwTTcTT对液体对气体21.82lgRe 1.64f第四章第四章 对流换热对流换热76三大特征量，同三大特征量，同D-BD-B适用范围：适用范围：Ref =2300-106，Prf =0.6-105,管长修正已管长修正已在公式中体现在公式中体现Ct，反映物性影响参数反映物性影响参数该关联式精度高，适用范围广，目前被国际上普遍接该关联式精度高，适用范围广，目前被国际上普遍接受。受。tfffcldffNu323211Pr87 .121Pr0001Re8第四章第四章 对流换热对流换热77Dittus-Boelter 公式与

41、公式与Gnielingski 公式的区别 l前者仅用于旺盛的湍流区，后者可用于过渡区前者仅用于旺盛的湍流区，后者可用于过渡区l都适用水力光滑区都适用水力光滑区l平直的管道平直的管道第四章第四章 对流换热对流换热78三、管槽内层流换热实验并联式三、管槽内层流换热实验并联式 层流充分发展对流换热的结果很多。层流充分发展对流换热的结果很多。1、充分发展段、充分发展段第四章第四章 对流换热对流换热79第四章第四章 对流换热对流换热80第四章第四章 对流换热对流换热81rePRdl05. 0/入口取入口取充分充分发展发展 1.热边界条件影响大，不可忽略热边界条件影响大，不可忽略2.充分发展充分发展Nu与

42、与Re无关无关从壁面到流体之间的热量传递主要通过导热从壁面到流体之间的热量传递主要通过导热3.几何形状影响较大几何形状影响较大第四章第四章 对流换热对流换热82实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的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。范围。可采用下列齐德泰特公式。2、入口段、入口段，0.0044 9.75fw。0.141 / 3RePr2/fffwldPr0.48 16700,f0.141 / 3RePr1.86/ffffwNuld 实验验证范围为：实验验证范围为：第四章第四章 对流换热对流换热83一、横掠平板一、横掠平板5105Recr4.

43、9 外部流动强制对流换热实验关联式外部流动强制对流换热实验关联式外部流动：外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发换热壁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。展，不会受到邻近壁面存在的限制。318 . 0315 . 0PrRe0296. 0PrRe332. 0 xxxxNuNu湍：层：局部局部换热换热平均平均换热换热315 . 0PrRe664. 0 mNu层：层：318 . 0PrRe037. 0 mNu湍：湍：318 . 0Pr)871Re037. 0( mNu层层+湍：湍：边界条件：恒定壁温边界条件：恒定壁温第四章第四章 对流换热对流换热84315

44、. 0PrRe453. 0 xxNu 层层流流湍湍流流恒壁温恒壁温边界条件的影响边界条件的影响315 . 0PrRe332. 0 xxNu 318 . 0PrRe0296. 0 xxNu 恒热流恒热流318 . 0PrRe0308. 0 xxNu 恒壁温恒壁温恒热流恒热流可以看出：湍流换热时表面传热系数对边界条件的可以看出：湍流换热时表面传热系数对边界条件的敏感程度远远低于层流。敏感程度远远低于层流。第四章第四章 对流换热对流换热85二、横掠单管二、横掠单管 xuudxdp顺压梯度顺压梯度 0 0 90odxdpxuA逆压梯度逆压梯度 0 0 90odxdpxuA0 0 dxdpxu圆柱面流动

45、具有边界层特征，流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。还会发生绕流脱体。第四章第四章 对流换热对流换热86不分离 10Re o58580 105 . 1Re10层流140 105 . 1Re5湍流 边界层的成长和脱体决定了边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。外掠圆管换热的特征。duRe第四章第四章 对流换热对流换热87 虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。换热系数看，渐变规律性很明显。第四章第四章 对流换热对流换热88注意：注意：外、duttw )(21 2 3、适用范围4、几何形状、几何形状1、C、

46、nCtw104621Ct9825 .1531PrRenCNu第四章第四章 对流换热对流换热89三、横掠管束三、横掠管束之外，、影响因素，除了(Re)ud1、mtd 外maxu3、管排修正数、管排修正数nnmwfmmCNu321)Pr/(PrPrRe还有排列方式和间距。还有排列方式和间距。注意：注意：2、适用范围、适用范围第四章第四章 对流换热对流换热90产生自然对流的条件：产生自然对流的条件：1、重力场、重力场 2、质量、质量 3、可膨胀、可膨胀4、有温差、有温差 自然对流：自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场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。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。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。4.10 自然对流换热自然对流换热一、换热机理一、换热机理例如：竖壁加热例如：竖壁加热第四章第四章 对流换热对流换热91自然对流亦有层流和湍流之分。自然对流亦有层流和湍流之分。层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。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。旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。第