传热学教学课件第五章 第七节

1、第七节 内部强制对流换热实验关系式,管槽内强制对流换热的计算与一系列涉及流动和换热的条件有关。因此，本节先来简要讨论这些因素对流动或换热的影响，然后再来介绍湍流和层流时的对流换热计算表达式。,管槽内强制对流流动和换热的特征,流动状态 非圆形截面槽道 入口段影响 不均匀物性场影响 管道弯曲的影响,流动状态,由流体力学的知识已知，当流体在管内流动时，其流动呈现不同的流动状态层流和湍流，其分界点的临界雷诺数为Re=2300。当雷诺数大于10 000后为旺盛湍流区，而一般认为2300Re10 000的区域为过渡区。 流体处于不同的流动状态时，其流动规律不同，因此其换热情况也不同。 层流时，流体分层流动

2、，换热主要依靠流体的导热。 湍流时，在层流底层流体分层流动，换热主要靠流体导热，而在湍流核心，流体剧烈扰动，换热主要靠流体微团的对流。 所以在不同的流动状态下有各自对应的换热准则方程式。,非圆形截面的槽道,当流体在非圆形截面的槽道内进行对流换热时，作为工程处理的一种方法可以用当量直径作为特征尺寸。 当量直径可按下式计算 这里 是槽道的横截面积，P 是湿周长，即槽道与流体接触面的长度 应当指出，对于长方形截面这类通道，采用当量直径作为特征尺寸时，可以取得满意的结果；但当截面上出现尖角的流动区域时，应用当量直径的方法会导致较大的误差。,入口段的影响,当流体从大空间进入一根管子时，流动边界层有一个从

3、零开始增长直到汇合于管子中心线的过程。类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管子壁面上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于管子中心线的过程。当流动边界层和热边界层汇合于管子中心线后，称流动或换热已经充分发展，此后的换热强度将保持不变。从进口到充分发展段之间的区域称为入口段。 入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数比充分发展段要大，且沿着主流方向逐渐减小。 演示：层流流动时入口段对换热的影响 演示：湍流流动时入口段对换热的影响,入口段的长度,层流时入口段的长度由下式确定 湍流时如果 可以不考虑入口段的影响,不均匀无性场的影响,在有换热的条件下，管子同一截面上的温度分布是不均匀的。因为温度会影响

4、粘度，所以截面上的速度分布与等温流动时的速度分布就有所不同。 演示：不均匀物性场对温度分布的影响 不均匀物性场对换热的影响，视流体是液体还是气体、流体被加热还是被冷却以及温差的大小而不同。,管道弯曲的影响,弯曲管内的流体在向前运动的过程中会连续地改变方向，因此会在横截面上引起二次环流。由于二次环流与主流方向垂直，因此会对流动产生扰动，而强化换热。 工程上的一种实用做法是应用直管的对流换热实验关联式计算出平均的努赛而数后再乘以弯曲管修正系数。弯曲管修正系数为 ，其计算式为 对于气体 对于液体 演示：二次环流,管内湍流换热实验关联式,迪图斯贝尔特公式,公式形式 定性温度 特征尺寸：管内径 注意问题

5、 （1）适用于湍流，实验范围为 （2）适用于长管 （3）直管 （4）适应于流体与壁面有中等温差的场合,齐德泰特公式,公式形式 定性温度：除 按壁温外，其余为流体平均温度 特征尺寸：管内径 注意问题 （1）适用于湍流 （2）长管 （3）直管,米海耶夫公式,公式形式 定性温度：除 按壁温外，其余按流体平均温度； 定型尺寸：管内径 注意的问题 （1）适用于湍流 （2）长管 （3）直管,格尼林斯基公式,公式的形式 定性温度：流体的平均温度； 定型尺寸：管内径； 注意的问题： （1）适用范围 （2）直管 （3）简化,对于气体,对于液体,达西阻力系数,格尼林斯基公式的简化形式,对于气体，可简化为 对于液体

6、，可简化为,对上述关联式的说明,认识一个复杂的物理现象往往要经历长时间的探索，在对流换热研究的发展过程中曾先后提出了数以十计的关联式，这里只是有代表性地介绍了4个准则方程。其中迪图斯贝尔特方程虽是1930年提出的，但因其形式简单、使用方便而又能满足大多数工程计算的要求，目前仍使用甚广。 前三个准则方程式的形式比较简单，但与得出这些关联式之间的实验数据的最大偏差可以达到 ，甚至更多。1976年提出的格林斯基公式要好得多。在该式所依据的800个实验数据中，其 90与关联式的偏差在 以内。但采用上述计算式时，只要在实验验证的范围内，计算结果一般能满足工程需求。 上述前三个方程式都是对旺盛的湍流得出的

7、，如果要用它们计算的过渡区中的对流换热，则会得出偏高的结果。这时可以使用最后一个关联式计算。 对于弯曲管内的对流换热计算，可先利用上述直管公式计算，然后其结果再乘以弯曲管修正系数。 对于短管或非圆管，可采用同样的办法。即先按上面介绍的关联式进行计算，再将计算结果乘以相应的修正系数。,管内层流换热实验关联式,槽道内层流充分发展对流换热的理论分析工作做的比较充分，已有许多结果可供选用。 表53与54中给出了一些代表性的结果。,表5-3 不同界面形状的管槽内层流充分发展段的努塞尔数,表5-4 环形空间内层流充分发展对流换热的努塞尔数（一侧壁面绝热，另一侧壁面等温）,层流充分发展段换热的特点,同一截面

8、形状的管道，均匀热流条件下的 数总是高于均匀壁温下的 ，说明层流换热条件下热边界条件的影响不能忽略； 对于等截面直通道的对流换热，层流充分发展的 数与 数无关，这与湍流有很大的不同； 既是用当量直径作特征尺寸，对于不同截面管道的对流换热，层流充分发展的 数也不相等。这说明，对于层流，当量直径仅仅是一个几何参数，不能用它来统一不同截面通道的换热与阻力计算的表达式。,层流对流换热实验关联式,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。对于这种情形，推荐采用下列齐德泰特公式来计算长为 的管道的平均 数 此式的定性温度为流体的平均温度；特征尺寸为管内径；实验验证范围为如下，且管子处于均匀壁温

9、。,对流换热实验关联式的适用条件,应当指出，上述管槽内层流及湍流换热的准则方程只适用于管槽本身静止的情形。在工程技术设备中还会遇到管道本身是旋转的情形，例如大型发电机旋转绕组冷却通道中的换热，现代燃气轮机叶片内冷通道中的换热都属于这种类型。通道的旋转又可分为通道轴线与旋转轴线平行及与旋转轴线垂直两种类型。通道旋转时，由于哥氏力及离心（向心）力的作用引起二次环流，加强了流体间的混合，使对流换热强化，同时流动阻力也增加。这时如果应用上述关联式来进行计算，得出的结果就偏于保守。,槽道内对流换热目前的研究动态,自20世纪80年代初期开始，微细通道内的流动与换热受到重视。实验研究表明，在同样条件下微细通道内的换热明显优于常规通道内的换热，因此微细通道内的换热近年来成为传热学研究的重要前沿课题