《传热学》第六章单相流体对流换热

1、传热学,第六章 单相流体对流换热,建环专业 常见问题,管内受迫对流换热,横向外掠单管或管束换热,大空间及有限空间自然对流换热,外掠平板受迫对流对流换热（见第五章）,纵向外掠单管或管束换热（对平板进行修正）,第一节 管内受迫对流换热,由于流体的流动被限制在特定空间，管内流动换热模型与外掠平板 完全不同，且换热情况更为复杂，难以用分析法进行求解，因此必 须在对其特殊性进行分析的基础上，采用实验方法加以研究。,一、管内受迫对流换热的影响因素,速度边界层,速度分布,入口段,充分发展段,1.进口段和充分发展段 流体从进入管口开始，需 经过一段距离，管断面流 速分布和流动状态才能达 到定型，这一段距离称为

2、 进口段，之后为充分发展 段。,充分发展段流态判断：,层流,过渡流,旺盛紊流,充分发展段的特征对流表面传热系数h不随管长的变化而变化,hx和h随管长x的变化规律：,入口段仅为层流(图a),入口段存在紊流(图b),2.管内流体平均速度及平均温度 由于断面不同位置具有不同速度分布和温度分布，计算中必须采用其平均值。,a.管内流体平均速度：,b.管内流体平均温度：,qw=const,tw=const,管壁与流体平均温差：,全管长流体平均温度：,3.物性场不均匀 由于断面不同位置流体温度不同，管中心和管壁处的流体物性（黏度、密度等）也会存在差异，从而对速度分布产生影响，并影响换热过程。,4.管子的几何

3、特征 管长、管径对管内速度分布和温度分布会产生影响，弯曲管、非圆形管、粗糙管也会和光滑直圆管换热情况有所不同，必须采用修正的方法。,二、管内受迫对流换热计算,管内对流换热能量守恒关系式：,1. 紊流换热,迪图斯贝尔特公式：,定性温度：全管长流体平均温度tf,定型尺寸：管内径,迪图斯贝尔特公式适用范围：流体和壁面温度差不很大，,西得和塔特公式：,适用于流体与管壁间温差较大情况,非圆形管修正：采用当量直径,弯管修正：圆管结果乘以修正系数 （R为螺旋管曲率半径）,影响h的因素分析：,2. 层流换热,西得和塔特常壁温公式：,对于长管，h近似为常数：,3.过渡流换热格尼林斯基关联式,4.粗糙管壁的换热

4、采用类比原理进行分析,根据类比率得出的准则方程：,其中：,摩擦系数Cf的计算：,粗糙度增加对h的影响,ks粗糙点的平均高度,换热面积增大， h增大,紊流,层流,凹处形成涡流， h增大,凹处流动不良， h减小,h增大,h不变,不锈钢椭圆管,椭圆管换热器,优点：换热强 缺点：阻力大,椭圆管与同周长圆管相比较,一、外掠单管,脱体分离点 流体产生与原流动方向 相反的回流时的转折点,不产生脱体,分离点与流 速的关系：,层流，脱体点8085 ,紊流，脱体点140 左右,第二节 外掠圆管对流换热,常热流条件下Nu准则变化规律： 层流时：一个低谷（脱体点） 紊流时：两个低谷（层流向紊流的转变点，脱体点） 烧毁

5、点 局部表面传热系数最低处，换热最差，此处最易过热烧毁 实例： 锅炉过热器和对流管束烧毁点,外掠单圆管准则关联式：,定性温度：流体主流温度tf,定型尺寸：管外径,定性速度：管外流速最大值,常数C和n从下表查取：,二、外掠管束,两种管束 布置方式,叉排,顺排,优点：换热强 缺点：阻力大,优点：阻力小 缺点：换热差,外掠圆管束准则关联式：,定性温度：流体在管束中的平均温度,定型尺寸：管外径,定性速度：管束中的最大流速,相对管间距,管排修正系数,常数C、m、n和p查教材表62，z 查教材表63。,z随管排数增大而增大的原因：前排扰动加强了后排的换热,第三节 自然对流换热,无限空间 墙壁、管道，散热器

6、与室内空气的换热,有限空间 双层窗、太阳能集热器,自然对流 换热,一、无限空间自然对流换热,边界层速度 变化规律：,边界层温度 变化规律：,局部对流表面传热系数hx沿竖壁变化规律 在层流段逐渐降低，紊流段后增大，达到旺盛紊流时保持不变,自然对流引起 的雷暴天气,X方向动量方程：,稳态流动：,体积力仅为重力：,根据量纲分析：,X方向动量方程简化为：,将：,代入上式，得：,X方向动量方程变为：,引入体积膨胀系数：,代入上式，得到：,自然对流层流边界层动量微分方程式：,自然对流层流边界层微分方程组：,求解结果,常壁温边界准则方程：,瑞利准则,对于常热流边界，由于壁温tw未知，不能确定Gr，因而引入：

7、,定性温度：边界层平均温度,常热流边界准则方程：,对于各种自然对流情况，常数C和n查下表：,对于竖直圆筒，由于环形边界层的曲率将影响边界层的形成和发展， 对换热有强化作用。,竖直圆筒自然对流处理方法：,按竖平壁处理,按竖平壁处理，并使用 教材图614加以修正,自然对流换热的另一方程（适用于常壁温和常热流两种情况）,竖壁：,水平圆筒：,常热流边界时的定性温度：,自然对流紊流自模化现象：,常壁温紊流时：,常热流紊流时：,即：,即：,对于这两种情况，公式左右定型尺寸l（x）均可消去， 即h和定型尺寸无关。,自模化现象的意义 可用小尺寸物体模拟实际物体来研究自然对流换热问题， 只要保证在紊流区，h即保

8、持不变。,二、有限空间中的自然对流换热,竖直壁夹层 的四种情况：,两壁边界层互不干扰，分别按无限空间情况处理,夹层内形成层流状环流,夹层内形成紊流状环流,夹层无流动，按纯导热计算，Nu =1,水平壁夹层 的四种情况：,夹层无流动，按纯导热计算，Nu =1,夹层无流动，按纯导热计算，Nu =1,夹层内形成层流状环流,夹层内形成紊流状环流,双层玻璃窗,当量表面传热系数和当量导热系数：,分别将夹层传热过程考虑为纯导热和纯对流，则有：,当量表面传热系数,当量导热系数,有限空间自然对流换热准则关联式,三、自然对流与受迫对流并存的混合对流换热,由于受迫流动模型中亦可能存在温差， 形成的自然对流会对速度场产生影响,浮升力的数量级：,惯性力的数量