热工学基础 作者 刘春泽 传热学第12章

1、12.1 对流换热概述1 对流换热过程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。 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2 对流换热过程的特点 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动,也必须有温差 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在线教务辅导网： :/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：3 对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流

2、动状态; (3)流体的热物理性质; (4)换热表面的几何因素(1) 流动起因自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生 的流动 (2) 流动状态层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动 （紊流）(3) 换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束(4) 流体的热物理性质：3 表面传热系数 对流换热量, 单位为W/m2；壁面的温度，单位为；流体的温度，单位为；表面传热系数，单位为W(m2)。综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：相似理论及其在对流换热中的应用

3、1 相似的概念 “相似”概念首先出现在几何学中 。几何学中建立起来的相似概念，可以推广到任何一种物理现象。 物理现象之间的相似条件: 相似的物理现象必须是同类现象，这些现象不仅要性质相同，而且能用同样形式和同样内容的数学方程式来描述； 物理现象相似的必要条件是几何相似 描述现象性质的切物理量均相似 努谢尔特准则，反映了对流换热强弱程度。 雷诺准则，反映流体流动状态对换热的影响。 普朗特准则，反映了对流换热强弱程度。2 相似准则 格拉晓夫准则，反映了自由流动状态对对流换热的影响。3 相似定理 相似第一定理：凡是彼此相似的现象，必定具有相同的相似准则 相似第二定理：相似的物理现象各物理量之间的关系

4、 相似第三定理：凡是单值性条件相似，定型准则相等的现象必定彼此相似方程式的具体形式由实验确定。根据已知条件由准则方程式求出和，再由求出对流换热量：在稳定条件下，对流换热准则方程式 :4 相似理论对流换热中的应用 1 相似的概念 “相似”概念首先出现在几何学中 。几何学中建立起来的相似概念，可以推广到任何一种物理现象。 物理现象之间的相似条件: 相似的物理现象必须是同类现象，这些现象不仅要性质相同，而且能用同样形式和同样内容的数学方程式来描述； 物理现象相似的必要条件是几何相似 描述现象性质的切物理量均相似 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

5、温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。12.3 自然对流换热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。旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。自然对流换热准则方程式自然对流换热可分成无限空间和有限空间两类。无限空间自然对流：流体的冷却和加热过程互不影响，边界层不受干扰。1 无限空间自然对流 式中 C、n常数，其值可根据的数值范围由表12-1选取，各式的定性温度均为边界层平均温度m=1/2(tw+tf) 这里仅讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热。2 有限空间自然对流 对于竖空气夹层：在夹层内冷热两股流动边界层相互结合，形成环流 ； 夹层厚度与高度之比较大

6、，冷热两壁的自然对流边界层不会互相干扰，不出现环流 两壁的温差与夹层厚度都很小，以致可认为夹层内没有流动发生，通过夹层的热量可以按纯导热过程计算。 对于水平夹层：热面在上冷热面之间无流动发生，如无外界扰动则应按导热问题分析 热面在下，对气体1700夹层内的流动将出现图12-3b的情形，形成有秩序的蜂窝状分布的环流，当5000后，蜂窝状流动消失，出现紊乱流动。 有限空间自然对流换热的计算，多采用准则关联式形式，见下表，定性温度为m=1/2(t1+t2 ),定型尺寸为夹层厚度。1 流体在管内流动的特征 层流和紊流 层流：过渡区：旺盛湍流：12.4 管内受迫流动换热 进口段和充分发展段 :层流湍流

7、进口段：流体从进入管口开始，需经历一段距离，管内断面流速分布和流动状态才能达到定型。流动发展段：流态定型，流动达到充分发展 。截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。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。 温度场对速度分布的影响 :2 流体在层流时的换热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。可采用下列公式。实验验证范围为：管子直径，单位为m； 管子长度，单位为m 3 流体在过渡状态时的换热在管内流动的流体，当其雷诺数在232010000之间时，是从层流到紊流的过渡状态。 整个过渡状态中换热规律是多变的，选用计算公式 定性温度为流体平均温度 ，管内径为特征长度

8、。 实验验证范围为：4 流体在紊流时的换热 1 流体在管内流动的特征 层流和紊流 层流：过渡区：旺盛湍流： 1 外掠单管 外部流动：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。 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 动具有边界层特征， 还会发生绕流脱体。12.5 流体在圆管外横向流过时的换热 边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征。 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。可采用以下分段幂次关联式：式中：C及n的值见下表；定性温度为特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度2 外掠光滑管束 外掠管束在换热器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。管束换热的准则方