流体与传热.ppt

1、2008-1-30,1,很高兴和大家共同学习！,2008-1-30,2,流 体 力 学,上海交通大学 机械与能源工程学院,顾 建 明,2008-1-30,3,两个思考题,水和空气到底是怎么流动的？ 气体和水（液体）管路系统怎样选配风机和水泵最好？,2008-1-30,4,将稳定开口系统的热力学第一定律应用于流道：,流入：,流出：,内增： 0,2008-1-30,5,当无损失、无传热、无功时， 得到伯努利方程：,1. 伯努利方程,z：位头(elevation head ) ：压头(pressure head ) ：动压头(velocity head ),当V1=V2=0时，得到流体静力学帕斯卡定

2、律：,可改写为：,2008-1-30,6,管道流动损失 hf : 直管中沿程流动损失(J/kg) hj : 附加管件损失(J/kg),当考虑流动损失或传热，并消耗压缩功时:,2008-1-30,7,流动阻力的两种类型,1.沿程阻力沿程损失(长度损失、摩擦损失),达西-魏斯巴赫公式,沿程阻力系数,2.局部阻力局部损失,局部阻力系数,2. 流型与流动损失,2008-1-30,8,沿程阻力,沿程阻力系数跟黏性有关牛顿粘性实验,动力粘度,运动粘度,2008-1-30,9,流型：层流和湍流,2008-1-30,10,流型：层流和湍流,2008-1-30,11,层流和湍流速度分布,2008-1-30,12

3、,内流流型判据:,层流: Re4000,:流体的密度； 、:流体的动力、运动粘度； u :流体的流速； de : 管径；,2008-1-30,13,层流( ) 湍流光滑区 尼古拉兹公式 布拉修斯公式,阻力系数关系式,2008-1-30,14,湍流粗糙区( ) 与Re无关 尼古拉兹公式 希弗林松公式 湍流过渡区 柯列勃洛克公式 希弗林松公式,阻力系数关系式,2008-1-30,15,当量粗糙度,当量粗糙度ke和工业管道粗糙区值相等的同直径的尼古拉兹粗糙管的粗糙度,常用工业管道的ke,2008-1-30,16,尼古拉兹实验图（1933-1934）,k绝对粗糙度k/d相对粗糙度,2008-1-30,

4、17,区（ab线，lgRe3.3，Re2000） 层流区,区（bc线，lgRe=3.33.6，Re=20004000） 过渡区,尼古拉兹实验图解读,2008-1-30,18,区（cd线，lgRe3.6，Re4000） 紊流光滑区 k/d大的管子在Re较低时离开此线,尼古拉兹实验图解读,2008-1-30,19,区（cd、ef之间的曲线族） 紊流过渡区,区（ef右侧水平的直线族） 紊流粗糙区（阻力平方区）,尼古拉兹实验图解读,2008-1-30,20,穆迪图 适用湍流过渡区,2008-1-30,21,矩形管中的流动,水力半径R反映不同截面管道的过水能力,湿周,圆管的水力半径,边长分别为a和b的矩

5、形断面水力半径,2008-1-30,22,矩形管中的流动,当量直径de： 要求不同截面的管道有相同的过水能力（水力半径相等）,因圆管的水力半径为其直径的1/4,取其他截面管道的当量直径de为水力半径的4倍； 边长分别为a和b的矩形断面的当量直径de ：,2008-1-30,23,(a) 伸入容器 (b) 锐缘 (c) 圆角 (d) 流线形,管道进口损失系数,3. 局部损失（一般认为仅与Re数有关）,2008-1-30,24,管道出口损失系数,2008-1-30,25,管道突缩结构损失系数,管道突扩结构损失系数,管道变截面结构损失系数,2008-1-30,26,90o 弯头损失系数,2008-1

6、-30,27,4. 复合管系,串联管系：,并联管系：,2008-1-30,28,5. 管路特性曲线,泵,风机,所谓管路特性曲线，就是管路中通过的 流量与所需要消耗的能头之间的关系曲线,2008-1-30,29,减小流动损失的措施,减小管长、增大直径、降低粗糙度； 减少附加管件、平滑过渡、弯头导流； 管路特性与驱动机械内特性相匹配。,2008-1-30,30,某钢管制风道，断面尺寸为400200mm2，管长80m，粗糙度k=0.15mm， =2.5，u=10m/s，空气温度t=20，求阻力损失p,解：解题步骤,（1）当量直径de,（2）Ret=20，查得=15.710-6m2/s,举例：,200

7、8-1-30,31,（3）k/de，k=0.15mm,（4）Re = 1.7105在湍流过渡区 用希弗林松公式 =0.0194,（5）R,（6）p,传 热 学,上海交通大学 机械与能源工程学院,顾 建 明,2008-1-30,33,两个思考题,热量到底是怎么流动的？ 怎样使热量流得快（慢）一点？,2008-1-30,34,0.绪论,本节内容主要讲述热能传递的基本理论知识； 概 述 研究热量传递规律的科学，主要有热量传递 的机理、规律、计算和测试方法 热力学第二定律： 热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热， 温差是热量传递的动力 热量传递有三种基本方式： 导热 对流换热 热辐射

8、,2008-1-30,35,1.稳态导热,导热基本定律 导热的概念 在无相对位移的情况下，物体内部因分、原子或自由电子等的运动而发生的热量传递称为热传导，简称导热。 温度场 某一瞬时，物体内各点的温度分布称为温度场。在直角坐标系中，其数学表达式为 稳态温度场：不随时间变动的温度场； 非稳态温度场：随时间变动的温度场； 一维稳态温度场：稳态温度场中温度仅在一个坐标方向变化 等温面（线）连结物体内温度相同点的面（或线）。,2008-1-30,36,1.稳态导热,导热基本定律 导热基本定律傅立叶定律 单位时间内以导热方式传递的热量（热流密度q）与温度梯度和导热面积成正比。导热方程为： 或 式中：热导

9、率；x导热方向；A导热面积。 热导率（导热系数） 热导率表征物质导热能力的物性参数，是单位温度梯度作用下的热流密度，单位； 与物质的种类、温度、密度等多种因素有关； 不同物质的导热系数有很大差别，通常金属的导热系数大、非金属的导热系数小； 湿度对保温材料的热导率影响很大。,2008-1-30,37,1.稳态导热,平壁的稳态导热 单层平壁的稳态导热 对于厚度为、导热系数为常数的平壁，若平壁两侧面温度分别为tw1和tw2，根据傅立叶定律可导得： 若导热面积为A则： 其中，t平壁两侧面温度差；R导热热阻,2008-1-30,38,1.稳态导热,平壁的稳态导热 多层平壁的稳态导热： 工程实践中遇到的通

10、常是多层平壁，特点：通过每一层的Q=常数或 q=常数。考察 三层壁，应用热阻串联概念 可得： 通过n层平壁的热流密度：,2008-1-30,39,圆筒壁的稳态导热 单层圆筒壁的稳态导热： 对于长度为L、无内热源的内、外径分别为d1、d2的单层圆筒壁，若其内、外壁温度为tw1和tw2，导热系数为，对导热方程积分： 通过该圆筒壁的热流量为： 其中，t圆筒壁两侧温差； R导热热阻,1.稳态导热,2008-1-30,40,1.稳态导热,圆筒壁的稳态导热 多层圆筒壁的稳态导热： 对于多层圆筒壁和多层平壁一样，可以利用热阻串联原则得到导热热量。但Q=常数，而 q常数：,2008-1-30,41,2.对流换

11、热,基本概念 热对流流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。 对流的形式 自然对流：因流体的密度差而引起的流动； 强制对流：流体的流动是由水泵、风机或其他外力所引起的； 对流换热流体流过物体表面时的热量传递过程； 牛顿冷却公式 对流换热以牛顿冷却公式为基本计算式，即 式中：h表面传热系数、tf流体温度、 tw壁面温度、A传热面积。,2008-1-30,42,2.对流换热,影响表面传热系数的因素 流动的形式，强制对流换热大、自然对流换热小； 流动的速度与流态。流体流速增加，表面传热系数增大；紊流时大、层流时小； 流体有无相变。有相变时大、无相变时小；

12、换热面的形状、大小和位置；管内(外)、热面上(下)； 流体的热物理性质。 特征数方程和特征数 特征数（准则）方程工程上实用的表面传热系数的计算公式，主要是由实验得到的。实验式将表面传热系数与众多相关的参数综合成数个无量纲特征数之间的函数关系式；,2008-1-30,43,2.对流换热,特征数方程和特征数 特征（准则）数： 努塞尔数标志对流换热的相对强弱程度； 雷诺数 表征流体惯性力和粘性力的关系； 普朗特数反映流体动量扩散能力与热扩散能力的关系； 格拉晓夫数反映自然对流换热中浮力与粘性力的关系。 定性温度：特征数中用以确定其物性参数的温度； 特征长度：包含在特征数中具有代表性的尺度。,2008

13、-1-30,44,2.对流换热,特征数方程和特征数 一般关系式： Nu=f (Re,Pr,Gr) 管内强制对流,2008-1-30,45,2.对流换热,表面传热系数的数值范围,2008-1-30,46,3.辐射换热,热辐射的基本概念 热辐射以电磁波的形式向外辐射热能的过程称为热辐射 辐射换热：物体之间相互辐射和吸收辐射能的总效果。 吸收、反射和穿透 吸收率物体吸收辐射能的比率；A 反射率物体反射辐射能的比率；R 穿透率物体透过辐射能的比率；D A+ R + D=1 黑体、白体和透热体（三种理想物体） 黑体能吸收全部辐射能， A=1、 R=D=0； 白体能反射全部辐射能， D=1、A=R=0；

14、透热体能透过全部辐射能， R=1、A=D=0；,2008-1-30,47,3.辐射换热,热辐射的基本规律 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 黑体辐射力Eb与黑体热力学温度的四次方成正比。又称四次方定律 其中： T 黑体的热力学温度 K ； b=5.6710-8 W/(m2k4)（黑体辐射常数） 可改写成 C b=5.67 W/(m2k4) 灰体：把吸收率与波长无关的物体称为灰体，即A1 黑度（灰体的辐射率）：实际物体（灰体）的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比,2008-1-30,48,3.辐射换热,热辐射的基本规律 灰体辐射力E 两黑体表面间的辐射换热,2008-1-30,49,4.传热与换热器,用于冷、

15、热流体间传递热量的装置称换热器。按工作原理可分为回（蓄）热式、混合式及间壁式三类，其中间壁式换热器应用最广。 换热器种类 回（蓄）热式： 冷热流体交替地流过同一表面而实现热量的交换； 固体表面吸收流过的热流体的热量，再释放给接着流过的冷物体，如锅炉中回热式空气预热器。 间壁式换热器冷热流体分别在壁面两侧流动，互不接触，通过壁面传递热量。如暖风机、燃气加热器、冷凝器等；,2008-1-30,50,4.传热与换热器,换热器种类 混合式换热器冷热流体直接接触、互相混合来实现换热。如空调中的喷淋室、火力发电厂中的冷却塔等；,2008-1-30,51,4.传热与换热器,间壁式换热器的主要形式 壳管式换热

16、器 传热面由管束构成，管束的两端固定在管板上， 管束与管板封装在两端带封头的圆筒形壳体内， 外壳内装有折流板，改善壳程的换热。,2008-1-30,52,4.传热与换热器,间壁式换热器的主要形式 肋（翅）片管式换热器 几组管外加装了肋片的蛇形管组成 通常液体走管内，空气走管外,2008-1-30,53,4.传热与换热器,间壁式换热器的主要形式 套管式换热器 由两根同心圆管组成 流体在内外管间环形通道流动 流体在内管中流动,2008-1-30,54,4.传热与换热器,间壁式换热器的主要形式 板式换热器 一组冲压出凹凸波纹的平行薄平板叠加而成； 相邻平板之间用密封垫片隔开，形成一个通道； 冷、热流

17、体间隔地在每个通道中流动。,2008-1-30,55,4.传热与换热器,换热器的传热计算 传热过程 热量由高温侧的流体通过壁面传到低温侧流体中去的过程称传热过程，分三个区域： 热流体 壁面高温侧； 壁面高温侧 壁面低温侧； 壁面低温侧 冷流体。 计算公式 三式整理可得： 式中， 为传热系数，单位为 W/(m2k) 。,2008-1-30,56,4.传热与换热器,换热器的传热计算 传热系数K 是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间单位温差和单位传热面积时热流量。 K 值越大，则传热过程越强； 反之，则弱。 大小受较多的因素的影响： 参与传热过程的两种流体的种类； 传热过程是否有

18、相变,2008-1-30,57,4.传热与换热器,换热器的传热计算 传热系数K 传热系数的表达式为: 传热系数的构成，通常有： 管外 管壁 管内 与欧姆定律类似传热过程热阻是由各构成环节的热阻组成,2008-1-30,58,4.传热与换热器,换热器的传热计算 平均温度差 换热器传热的计算式可表示为 tm为冷热流体的温度差。 算术平均温度差 换热器中冷热流体沿传热面换热，其温度沿流向不断变化，故温度差也是不断变化的。 当冷、热流体温差沿传热面变化不大时，用算术平均温差,2008-1-30,59,换热器的传热计算 对数平均温度差 顺流冷、热流体流向一致； 逆流冷、热流体流向不一致； 对数平均温度差,4.传热与换热器,2008-1-30,60,一房屋的混凝土外墙： 厚度为=150mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(mK) ， 冬季室外空气温度为tf2=-10, 室外风和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2K)， 内空气温度为tf1= 25,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2K)。 假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。 解： 由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积