单相流体对流换热及准则关联式课件

123456789101112131415第六章 单相流体对流换热及准则关联式6.3 6.3 管内受迫强制对流流动与换热的一些特点管内受迫强制对流流动与换热的一些特点1 1、两种流态、两种流态 层层流流区区：ReReRe10Re10 4 42 2、入口段与充分发展段、入口段与充分发展段流动特征流动特征：流态定型，流动达到充分发展，称为流动流态定型，流动达到充分发展，称为流动充分发展段充分发展段。从进口到流动充分发展段，称为从进口到流动充分发展段，称为入口段。入口段。一般多取截面平均流速一般多取截面平均流速16层流层流湍流湍流换热特征换热特征：入口段的热边界层薄，表面传热系数高。：入口段的热边界层薄，表面传热系数高。层流入口段长度层流入口段长度:湍流入口段长度湍流入口段长度17换热特征换热特征 热边界层同样存在入口段与充分发展段，热边界层同样存在入口段与充分发展段，在在进进口口处处，边边界界层层最最薄薄，h h x x 具具有有最最高高值值，随随后后降降低低。在层流情况下，在层流情况下，h h x x趋于不变值的距离较长。趋于不变值的距离较长。在在紊紊流流情情况况下下，当当边边界界层层转转变变为为紊紊流流后后，h h x x将将有有一一些些回回升，并迅速趋于不变值。升，并迅速趋于不变值。工程上常利用工程上常利用入口换热效果好入口换热效果好这一特点来强化设备的换热。这一特点来强化设备的换热。183 3两种热边界条件两种热边界条件均匀壁温和均匀热流均匀壁温和均匀热流 湍流：湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。两种边界条件下的换热系数差别明显。19、流体平均温度以及流体与壁面的平均温差、流体平均温度以及流体与壁面的平均温差在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后，采在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后，采用下式确定该用下式确定该截面上流体的平均温度截面上流体的平均温度：定定性性温温度度：计计算算物物性性的的定定性性温温度度多多为为截截面面上上流流体体的的平平均均温温度度（或进出口截面平均温度）。（或进出口截面平均温度）。采用实验方法来测定时，应在测温点前设法将截面上各部采用实验方法来测定时，应在测温点前设法将截面上各部分的流体充分混和。分的流体充分混和。20牛顿冷却公式中的平均温差牛顿冷却公式中的平均温差 对对恒热流恒热流条件，可取条件，可取 作为作为 。对对恒壁温恒壁温条件，截面上的局部温差是个变值，应利用热平条件，截面上的局部温差是个变值，应利用热平衡式：衡式：式中式中，为质量流量；为质量流量；分别为出口、进口截面上的平均温度分别为出口、进口截面上的平均温度21按对数平均温差计算：当流体进口截面与出口截面的温差比在当流体进口截面与出口截面的温差比在0.50.52 2之间时，之间时，可用算术平均温差代替对数平均温差。可用算术平均温差代替对数平均温差。225.7.2 5.7.2 管内强制对流换热的准则关系式管内强制对流换热的准则关系式 1.1.常规流体常规流体 当管内流动的雷诺数当管内流动的雷诺数Re10Re104 4时，管内流体处于旺时，管内流体处于旺盛的紊流状态。盛的紊流状态。1)1)迪图斯贝尔特（迪图斯贝尔特（Dittus-BoelterDittus-Boelter）公式）公式 特征长度为特征长度为d，特征流速为特征流速为um，流体物性量采用的流体物性量采用的定性温度是定性温度是 为流体的平均温度；流体为流体的平均温度；流体被加热被加热n=0.4,n=0.4,流体被冷却流体被冷却 n=0.3n=0.3。23实验验证范围实验验证范围此式适用与流体与壁面具有此式适用与流体与壁面具有中等以下温差中等以下温差场合。场合。（1 1）变物性影响的修正）变物性影响的修正在在有有换换热热条条件件下下，截截面面上上的的温温度度并并不不均均匀匀，导导致致速速度度分分布发生畸变。布发生畸变。24在换热条件下，由于管中心和在换热条件下，由于管中心和靠近管壁的流体温度不同，因靠近管壁的流体温度不同，因而管中心和管壁处的流体物性而管中心和管壁处的流体物性也会存在差异。也会存在差异。特别是粘度的不同将导致有温特别是粘度的不同将导致有温差时的速度场与等温流动时有差时的速度场与等温流动时有差别。差别。25 （b b）在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘）在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项以物性修正项c ct t。不均匀物性场修正方法不均匀物性场修正方法（a a）小温差时，在）小温差时，在PrPr指数上加以修正。指数上加以修正。加热时加热时冷却时冷却时对液体对液体受热时受热时对气体对气体被冷却被冷却26（2 2）入口段的影响）入口段的影响当管子的长径比当管子的长径比l/d60l/d0.6Pr0.6的的气气体体或或液液体体。对对PrPr数数很很小小的的液液态态金金属属，换换热热规规律律完完全全不不同同。推推荐荐光光滑滑圆圆管管内内充充分分发发展湍流换热的准则式。展湍流换热的准则式。2.2.金属金属 均匀壁温边界均匀壁温边界特征长度为管内径，定性温度为流体平均温度。特征长度为管内径，定性温度为流体平均温度。345.7.3 5.7.3 管槽内强制对流换热关联式管槽内强制对流换热关联式管槽内强制对流换热理论分析工作比较充分，已经有许多结管槽内强制对流换热理论分析工作比较充分，已经有许多结果可供选用。果可供选用。35续表续表3637 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。可采用下列范围。可采用下列齐德泰特公式：齐德泰特公式：定性温度定性温度为流体平均温度为流体平均温度tf（w 按壁温按壁温tw确定）确定）特征长度为管内径特征长度为管内径，管子处于均匀壁温，管子处于均匀壁温。实验验证范围为：实验验证范围为：且管子处于均匀壁温且管子处于均匀壁温38【答答】椭圆管的换热系数大。因为椭圆管的换热系数大。因为 hdhd-0.2-0.2 ，椭，椭圆管的圆管的d de e 圆管的圆管的d d。对于周长相同的圆和椭圆，。对于周长相同的圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而其中椭圆的面积小于圆的面积，而 d de e=4f/U=4f/U，则则 d de e(椭圆椭圆)d()d(圆圆)。【例例】在流体的物性和流道截面的周长相同的条在流体的物性和流道截面的周长相同的条件下件下,圆管和椭圆管内单相流体的强制湍流换热圆管和椭圆管内单相流体的强制湍流换热,何者换热系数大何者换热系数大?为什么为什么?39补充：补充：求管长求管长:求出换热系数后，利用公式求出换热系数后，利用公式 如何从质量流量求速度如何从质量流量求速度 40【例例】在在一一冷冷凝凝器器中中，冷冷却却水水以以1m/s1m/s的的流流速速流流过过内内径径为为10mm10mm、长长度度为为3m3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度分别为度分别为1515和和6565，试计算管内的表面传热系数。，试计算管内的表面传热系数。【解解】由于管子细长，由于管子细长，l/d l/d 较大，可以忽略入口较大，可以忽略入口段的影响。冷却水的平均温度为段的影响。冷却水的平均温度为 从附录中水的物性表中可查得从附录中水的物性表中可查得 41f f=0.635W/m.k,v=0.635W/m.k,vf f=0.659x10=0.659x10-6-6m m2 2/s,Pr=4.31/s,Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 管内流动为旺盛紊流管内流动为旺盛紊流。42436.4 外部流动强制对流换热流体横掠单管、球体及管束的实验关联式外部流动：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。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。5.5.4 4.1.1 流体横掠单管的实验结果流体横掠单管的实验结果441 1、流动特点边界层的分离、流动特点边界层的分离黏性流体流经曲面时，边界层外边界上沿曲面的速度是改黏性流体流经曲面时，边界层外边界上沿曲面的速度是改变的，所以曲面边界层内的压力也发生变化，对边界层的变的，所以曲面边界层内的压力也发生变化，对边界层的流动产生影响。流动产生影响。当流体流经曲面前驻点时，沿上表面的流速先增加一直到当流体流经曲面前驻点时，沿上表面的流速先增加一直到曲面某一点，然后降低。根据伯努利方程，相应压力先降曲面某一点，然后降低。根据伯努利方程，相应压力先降低后增加。低后增加。45曲面的加速降压段：流体有足够动能继续前进。曲面的加速降压段：流体有足够动能继续前进。曲面的降速升压段：动能要转化为势能，又要克服粘滞力的曲面的降速升压段：动能要转化为势能，又要克服粘滞力的影响，动能损耗大。其结果是从壁面的某一位置影响，动能损耗大。其结果是从壁面的某一位置0 0开始速度梯开始速度梯度达到度达到0 0，壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。，壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。以致从以致从0 0点开始壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向点开始壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动，该点称为绕流脱体的起点流动，该点称为绕流脱体的起点 (或称分离点或称分离点 )。46Re10 Re=16=16排）排）56 表表6-86-8表表6-96-9576-5 自然对流换热及实验关联式例例如如：暖暖气气管管道道的的散散热热、不不用用风风扇扇强强制制冷冷却却的的电电器器元元件件的散热的散热自然对流：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。场的不均匀所引起的流动。自然对流产生的原因：自然对流产生的原因：不均匀温度场不均匀温度场造成了不均匀密度场，造成了不均匀密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。由此产生的浮升力成为运动的动力。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。在在各各种种对对流流换换热热方方式式中中，自自然然对对流流换换热热的的热热流流密密度度最最低低，但安全、经济、无噪音。但安全、经济、无噪音。58设设板板温温高高于于流流体体的的温温度度。板板附附近近的的流流体体被被加加热热因因而而密密度度降降低低(与与远远处处未未受受影影响响的的流流体体相相比比)，向向上上运运动动并并在在板板表表面面形形成成一一个个很很薄薄的边界层。的边界层。6.5.1 自然对流换热现象的特点1 1、流动边界层中的速度与温度分布、流动边界层中的速度与温度分布59自自然然对对流流边边界界层层中中的的速速度度分分布布与与强强制制流流动动时时有有原原则则的的区区别别。壁壁面面上上粘粘滞滞力力造造成成的的无无滑滑移移条条件件依依然然存存在在。同同时时自自然然对对流流的的主主流流是是静静止止的的，因因此此在在边边界界层层的的某某个个位位置置，必必定定存存在在个个速速度度的的局局部部极极值值。就就是是说说，自自然然对对流流边边界界层内速度剖面呈单驼峰形状。层内速度剖面呈单驼峰形状。温度分布温度分布曲线与强制流动时相似，呈单调变化。曲线与强制流动时相似，呈单调变化。60 波尔豪森波尔豪森分析解分析解与施密特贝克曼与施密特贝克曼实测实测结果结果竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比612 2、层流与湍流、层流与湍流流动特征流动特征在壁的下部，流动刚开始形成，在壁的下部，流动刚开始形成，是有规则的层流。若壁面足够高，是有规则的层流。若壁面足够高，则上部流动转变为湍流。则上部流动转变为湍流。采用光学方法可揭示流动景象。采用光学方法可揭示流动景象。621.1.层流边界层随着厚度的增加，层流边界层随着厚度的增加，局部换热系数将逐渐降低；局部换热系数将逐渐降低；2.2.当边界层内层流向湍流转变时当边界层内层流向湍流转变时局部换热系数局部换热系数 h hx x 趋于增大。趋于增大。3.3.研究表明，在常壁温或常热流研究表明，在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时，边界条件下当达到旺盛紊流时，h hx x 将保持不变而与壁的高度无将保持不变而与壁的高度无关。关。换热特征换热特征层流时，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。67Gr称称为为格格拉拉晓晓夫夫数数，在在物物理理上上，GrGr数数是是浮浮升升力力/粘粘滞滞力力比比值的一种量度。值的一种量度。Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。数的增大表明浮升力作用的相对增大。若若对对自自然然对对流流的的能能量量方方程程做做类类似似推推导导，可可得得出出另另外外一一个个无无量纲准则，称为瑞利数。量纲准则，称为瑞利数。2 2、层流向湍流转变的依据：采用、层流向湍流转变的依据：采用GrGr数数自然对流换热准则方程式为自然对流换热准则方程式为686 6.5 5.3.3 大空间自然对流换热的实验关联式大空间自然对流换热的实验关联式1 1、大空间与有限空间自然对流换热、大空间与有限空间自然对流换热自然对流换热可分成自然对流换热可分成大空间大空间和和有限空间有限空间两类。两类。大大空空间间自自然然对对流流：流流体体的的冷冷却却和和加加热热过过程程互互不不影影响响，边边界层不受干扰。界层不受干扰。有有限限空空间间自自然然对对流流：边边界界层层的的发发展展收收到到干干扰扰，或或流流动动受受到限制。到限制。（大空间的相对性）（大空间的相对性）69 工程中广泛使用的是下面的关联式：2.均匀壁温条件下的大空间自然对流式中：式中：定性温度定性温度采用采用 GrGr数中的数中的 为为 与与 之差之差对于符合理想气体性质的气体，对于符合理想气体性质的气体，特征长度特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。对液态工质，需考虑物性变化的校正因子对液态工质，需考虑物性变化的校正因子70注：竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：71其他几何形状的自然对流问题的传热规律的转变，目前还其他几何形状的自然对流问题的传热规律的转变，目前还缺少以缺少以GrGr数为判断依据的关联式。数为判断依据的关联式。介绍以介绍以RaRa为判断依据的试验关联式为判断依据的试验关联式1.1.水平面水平面(1)(1)热面向上（冷面向下）热面向上（冷面向下）72(2)(2)热面向下（冷面向上）热面向下（冷面向上）式中：式中：定性温度定性温度采用采用 特征长度特征长度采用采用 A AP P：平板换热面积：平板换热面积P P：平板换热周长平板换热周长2.2.球球式中：式中：定性温度定性温度采用采用 特征长度特征长度采用采用球体直径球体直径 73 （2 2）采用专用形式）采用专用形式 式中：式中：定性温度定性温度取平均温度取平均温度t tm m，特征长度特征长度对矩形取短边长。对矩形取短边长。按此式整理的平板散热的结果示于下表。按此式整理的平板散热的结果示于下表。3.3.均匀热流边界条件均匀热流边界条件（1 1）采用常壁温公式）采用常壁温公式 对于高度为对于高度为L L的竖直平板的均匀热流加热情形，取平的竖直平板的均匀热流加热情形，取平板中点的壁温作为确定板中点的壁温作为确定GrGr数中的温差和牛顿冷却公式中的数中的温差和牛顿冷却公式中的壁面温度。壁面温度。74这里流动比较复杂，不能套用层流及湍流的分类。这里流动比较复杂，不能套用层流及湍流的分类。表表6-11 式（式（6-43）中的常数）中的常数B和和m75 对对于于自自然然对对流流湍湍流流，展展开开关关联联式式（指指数数为为n=1/3n=1/3）后后，两两边边的的定定型型尺尺寸寸可可以以消消去去；表表明明自自然然对对流流湍湍流流的的表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称自模化现象。表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称自模化现象。模型实验的模型实验的“自模化自模化”现象现象 利利用用这这一一特特征征，湍湍流流换换热热实实验验研研究究就就可可以以采采用用较较小小尺尺寸寸的的物物体体进进行行，只只要要求求实实验验现现象象的的 GrGrPrPr值值处处于于湍流范围。湍流范围。766 6.5 5.4.4.有限空间自然对流换热有限空间自然对流换热 在生活和工业应用里也经常能看见一些相对狭窄空间在生活和工业应用里也经常能看见一些相对狭窄空间中的自然对流换热现象。中的自然对流换热现象。寒冷地区广泛使用的双层玻璃窗寒冷地区广泛使用的双层玻璃窗;平板太阳能集热器的集热板与盖板之间的空气夹层平板太阳能集热器的集热板与盖板之间的空气夹层;用于变压器油冷却的扁盒自然对流冷却器用于变压器油冷却的扁盒自然对流冷却器;热力管道或电缆线管沟中空气的自然对流等。热力管道或电缆线管沟中空气的自然对流等。此类问题大多希望求出从高温表面到低温表面的表面此类问题大多希望求出从高温表面到低温表面的表面传热系数和传热量。因受到狭窄空间形状以及各相邻表面传热系数和传热量。因受到狭窄空间形状以及各相邻表面的约束，流体的流动和换热状况往往比较复杂。的约束，流体的流动和换热状况往往比较复杂。77仅讨论如图所示的仅讨论如图所示的竖竖的和的和水平水平的两种的两种封闭夹层封闭夹层的的自然对自然对流换热流换热，且推荐的公式仅限于气体夹层。，且推荐的公式仅限于气体夹层。封闭夹层示意图封闭夹层示意图夹夹层层内内流流体体的的流流动动，主主要要取取决决于于以以夹夹层层厚厚度度为为特特征征长长度度的的Gr数：数：78当 极低极低时换热依靠纯导热：对于对于水平夹层水平夹层，当，当 对于对于竖直夹层竖直夹层，当，当 随着 的提高，会依次出现向层流特征过渡的流（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流动。对竖夹层，纵横比对竖夹层，纵横比 对换热有一定影响。对换热有一定影响。79对于竖空气夹层，推荐以下实验关联式：式中：式中：定性温度定性温度采用采用 温差温差采用采用 特征尺寸特征尺寸采用冷热表面间的距离采用冷热表面间的距离 80 对于水平空气夹层，推荐以下关联式：式中：式中：定性温度定性温度均为均为 Re数中的数中的特征长度特征长度均为均为d d 。81 实实际际上上，除除了了自自然然对对流流外外，夹夹层层中中还还有有辐辐射换热，此时通过夹层的换热量应是两者之和。射换热，此时通过夹层的换热量应是两者之和。对对竖空气夹层竖空气夹层，的的实验验证范围实验验证范围826 6.5 5.5.5 混合对流简介混合对流简介 在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流考察浮升力与惯性力的比值自然对流的影响不能忽略；自然对流的影响不能忽略；强制对流的影响可以忽略不计。强制对流的影响可以忽略不计。混和对流混和对流83混合对流的实验关联式这里不讨论。混合对流的实验关联式这里不讨论。推荐一个简单的推荐一个简单的估算方法估算方法：两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。n之值常取为之值常取为3 3。式中：式中：NuM为混合对流时的为混合对流时的NuNu数，而数，而NuF、NuN则则为按给定条件分别用强制对流及自然对流准则式计为按给定条件分别用强制对流及自然对流准则式计算的结果。算的结果。