三传基础第八章课件

第八章第八章强制对流传热强制对流传热主要内容主要内容8-1概述概述8-2管内流动时的对流传热管内流动时的对流传热8-3流体流过其它物体的对流传热流体流过其它物体的对流传热1对流流传热的特点及分的特点及分类定定义：流体流：流体流过表面表面时所所发生的生的传热过程称程称对流流传热。8-1概概述述特点特点：与流体宏与流体宏观流流动有关，流有关，流动是前提；是前提；与与导热有关，并起限制性作用。因此，与流有关，并起限制性作用。因此，与流动及及导热有关的因素都有关的因素都对对流流传热有影响，如流有影响，如流动起因、流起因、流动性性质、流体、流体热物性等；物性等；必必须有温差。有温差。分分类：按流按流动性性质分：分：层流流对流流传热；紊流；紊流对流流传热。按流按流动起因分：起因分：自然自然对流流传热；强制制对流流传热。2牛牛顿冷却公式及冷却公式及对流流传热系数系数 对流流传热系数，系数，W/m2，其意，其意义为单位位对流流传热量量上式形式上式形式虽简，但几乎所有影响，但几乎所有影响对流流传热的因素都集中于的因素都集中于 上。故求解不同情况下的上。故求解不同情况下的 是研究是研究对流流传热的主要任的主要任务。对流流传热量量习惯上用牛上用牛顿冷却公式冷却公式计算：算：对流流换热的主要影响因素：的主要影响因素：流流动的起因的起因 流体有无相流体有无相变 流流动的流的流态 换热表面的几何因素表面的几何因素 流体的物理性流体的物理性质 的求解方法的求解方法对流流传热都是在定都是在定态下下讨论和研究的。和研究的。实验方法方法：用因次分析法、再用因次分析法、再结合合实验，建立，建立经验关系式。关系式。类比方法比方法：把理把理论上比上比较成熟的成熟的动量量传递的研究成果的研究成果类比到比到热量量传递过程。程。理理论分析法分析法：建建立立理理论方方程程式式，用用数数学学分分析析的的方方法法求求出出 的的精精确确解解或或数数值解解。这种种方方法法目目前前只只适适用用于于一一些些几几何何条条件件简单的的几几个个传热过程程，如如管管内内层流、平板上流、平板上层流等。流等。热附面附面层定定义：流流体体流流过平平板板表表面面，除除了了会会形形成成一一个个流流动边界界层之之外外，还因因受受热或或冷冷却却，使使靠靠近近壁壁面面附附近近的的流流体体温温度度发生生变化化，在在平平板板表表面面附附近近将将形形成成一一具有温度梯度的流体具有温度梯度的流体层，称，称热附面附面层或温度附面或温度附面层。3.热附面附面层及及对流流传热机理机理Tw热附面附面层特点特点：热附面附面层的厚度的厚度t 为时的厚度；的厚度；热附面附面层的厚度与速度附面的厚度与速度附面层是同一量是同一量级的，但大小不等。的，但大小不等。x，t；Re，则t；按流按流动性性质也有也有层流流热附面附面层和紊流和紊流热附面附面层之分；之分；热附面附面层外可外可视为温度均一的等温区温度均一的等温区对流流传热机理机理对流流传热机理机理、紊流、紊流层 、过渡渡层 、层流底流底层 对流流传热机理机理紊流紊流层：该区区紧靠靠主主流流、紊紊流流涡动强烈烈，uy大大，传热主主要要是是质点点对流流作作用用引引起起的的，故故热阻阻小小、温温度度均均匀匀平平直。直。过渡区：渡区：这里里紊紊流流涡动已已大大为减减弱弱，故故uy较小小，质点点对流流传输已已下下降降到到与与导热相相当当的的程程度度，导热作作用用已已不不可忽可忽视，温度梯度也明，温度梯度也明显加大。加大。层流底流底层区：区：该区区紧贴表表面面，uy0，质点点对流流作作用用已已近近消消失失，传热仅靠靠导热，热阻很大，温度梯度大。阻很大，温度梯度大。这表表明明，层流流底底层区区集集中中了了对流流传热的的主主要要热阻阻，且且是是传导传热，故故层流流底底层导热是是对流流传热的限制性的限制性环节。对流流传热 热附面附面层传热 层流底流底层传热如如果果把把热附附面面层中中温温度度分分布布理理想想化化，如如图中中虚虚线，则可可将将整整个个流流体体分分别分分为没没有有热阻阻、温温度度为tf的的核核心心区区和和集集中中全全部部热阻阻、温温度度由由tw线性性变化到化到tf的的层流区两部分。流区两部分。靠靠近近板板面面的的层流流区区称称有有效效热附附面面层，厚厚度度为，甚甚至至可可以以极极端端地地认为该层流流体体为附附着着于于板板面面的的停停滞滞层，则其其传热为传导传热。对流流传热量也就是通量也就是通过该层的的导热量，即：量，即：4对流流传热简化模型化模型因此有：因此有：（确定困确定困难，不用此式，不用此式计算算)上上式式表表明明：对流流传热与与流流体体的的导热系系数数及及有有效效附附面面层厚厚度度有有关关，而而取决于流取决于流动起因起因，流，流动性性质，流速，表面性，流速，表面性质及流体及流体热物性。物性。5 5对流流传热系数表达式系数表达式 由由无无滑滑移移边界界条条件件，即即使使在在高高度度紊紊流流状状态下下，在在表表面面上上的的流流速速必必将将到到零零，流流体体与与表表面面的的对流流传热也也即即是是通通过表表面面上上流流体体层的的导热，由傅氏定律有：由傅氏定律有：此即此即对流流传热系数系数计算式，又称算式，又称边界界给热微分方程。微分方程。该式式表表明明给出出了了与与温温度度场的的关关系系，故故只只要要求求得得温温度度场t，就就可可利利用用上式得上式得。精确解法，近似精确解法，近似积分法便基于此种方法。分法便基于此种方法。强制制对流流换热的的应用用 管内流管内流动时的的对流流传热 流体横向流流体横向流过管群管群8-2 8-2 管内流管内流动时的的对流流传热无无论层流流或或紊紊流流，都都有有入入口口段段和和稳定定段段之之分分。层流流时入入口口段段为l=100d，紊紊流流时l20d。在在入入口口段段温温度度场、速速度度场均均有有很很大大变化化，不不予予讨论。稳定定段段，u不不变，t仍仍将将继续变化化，只只是是分分布布规律相似。律相似。沿管沿管长的的变化化管内无主流区，全是附面管内无主流区，全是附面层，故不符合附面，故不符合附面层的定的定义。一、一、管内流管内流动附面附面层的特点的特点条件：条件：充分充分发展的展的稳定定层流；流；常物性流体；常物性流体；无内无内热源；源；轴向向导热与与对流流传热相比相比较小，小，可忽略可忽略zyrRdrox二、二、圆管内管内层流流对流流传热（用微分解法）（用微分解法）轴对称称问题 充分充分发展的展的稳定定层流流轴向向导热与与对流流传热相比相比较小，可忽略小，可忽略由以上条件，方程化由以上条件，方程化简为：管内管内稳定定层流的速度呈抛物流的速度呈抛物线分布：分布：积分得：分得：代入代入边界条件，当界条件，当 得：得：边界界给热微分方程微分方程努塞努塞尔特准数特准数 努塞尔特努塞尔特(Ernst K.W.Nusselt 1882-(Ernst K.W.Nusselt 1882-1957),1957),德国著名物理学家。德国著名物理学家。他在他在19091909年及年及19151915年先后发表两篇论文年先后发表两篇论文,用用因次分析方法导出强制对流换热及自然对流因次分析方法导出强制对流换热及自然对流换热的无因次数换热的无因次数(以后被分别命名为努塞尔以后被分别命名为努塞尔特数、普朗特数及格拉晓夫数特数、普朗特数及格拉晓夫数)并提出了理并提出了理论解应具有的物因次数之间的函数关系的原论解应具有的物因次数之间的函数关系的原则形式则形式,从而结束了长期以来对流换热实验从而结束了长期以来对流换热实验数据得不到很好整理的局面。数据得不到很好整理的局面。结果果说明管内明管内层流流传热的的实质为导热(与与cp、无关无关)。上上述述解解法法虽是是由由微微分分方方程程求求的的，称称精精确确解解法法，但但与与实际情情况况相相去去甚甚远，究其原因有三。，究其原因有三。A：入口的影响。：入口的影响。层流流l100d方可消除，方可消除，实际难达到；达到；B：自然：自然对流的影响。流的影响。层流流低速。自然低速。自然对流不可忽略；流不可忽略；C：热流流方方向向和和粘粘度度的的影影响响。由由于于随随温温度度变化化，从从而而使使速速度度场变形形，如如图，最，最终影响影响传热。因此，管内因此，管内层流流传热多用多用实验式式计算。算。(经验式式见教材，略）教材，略）努塞努塞尔特准数特准数三、管内紊流三、管内紊流对流流传热相似原理模型相似原理模型实验法法推推导相似准数相似准数准数方程准数方程实验获得相关系数得相关系数N-S方程方程连续性方程性方程F-K方程方程边界界给热微分方程微分方程普普朗朗特特准准数数，表表征征流流体体动量量传输能能力力和和热量量传输能能力力之比（即表示之比（即表示/t），反映物性影响的准数。），反映物性影响的准数。努努塞塞尔特特准准数数，表表征征对流流传热边界界导热这一一特特点点，为被被决定准数。决定准数。格格拉拉晓夫夫准准数数，表表征征流流体体中中温温度度不不均均引引起起的的浮浮力力与与粘粘性性力力之之比比，反反映映自自然然对流流性性质的的准准数数，在在自自然然对流流中中代替代替Re。对流流传热的一般准数方程的一般准数方程为：雷雷诺准数，表征准数，表征惯性力与粘性力之比。性力与粘性力之比。对流流传热的一般准数方程的一般准数方程为：如如对紊流，准数关系式可写紊流，准数关系式可写为：通通过实验定出其中系数定出其中系数C、n、m，就得，就得经验式。式。紊流紊流强制制对流流传热时，自然，自然对流可忽略，流可忽略，则：纯自然自然对流流传热时，可不，可不计Re，则：n=0.4(液体加液体加热或气体冷却）或或气体冷却）或n=0.3（液体冷却或气体加（液体冷却或气体加热）下下标f 表示以流体平均温度表示以流体平均温度为定性温度。定性温度。管内紊流管内紊流对流流传热的的经验式式在众多的在众多的经验式中，以迪多斯式中，以迪多斯布叶布叶尔特公式最著名。即：特公式最著名。即：光滑管，光滑管，L/d50，否则应乘以管长校正系数，否则应乘以管长校正系数L。紊流，紊流，104Re1.2105(106)，0.6Pr30（液体加热）（液体加热）直管，直管，管长未知，暂取管长未知，暂取得：得：计算所需管算所需管长，由：，由：验证管管长：8-3流体流流体流过其它物体的其它物体的对流流传热工程上常工程上常见的是流体横向流的是流体横向流过管群管群单根根圆管的管的传热系数系数根据根据实验整理的流体横向流整理的流体横向流过单根根圆管的平均管的平均传热系数的准数式系数的准数式为：该该式式以以 为为定定性性温温度度，管管外外径径为为定定型型尺尺寸，特征速度为来流速度寸，特征速度为来流速度 。对气体和液体均适用；对气体和液体均适用；适用范围：适用范围：t=15.5980，tw=211046，Re=0.44105;该式需要分段计算，系数该式需要分段计算，系数C、n根据根据Re的不同由表的不同由表(12-4)查得；查得；流流体体流流动动方方向向和和管管轴轴交交角角 90时，应乘乘以以角角度度校校正正系系数数，由由表表(12-5)查得。查得。注意：注意：工程上更常工程上更常见的是流体横向流的是流体横向流过管群管群顺排排叉排叉排系数系数C、n之值取决于管尺寸和排列方式，由表之值取决于管尺寸和排列方式，由表12-6可查得；可查得；Re的适用范围：的适用范围：2103Re4104，Re的计算式中速度以管间最小的计算式中速度以管间最小截面处确定；截面处确定；定性温度为定性温度为tm，定型尺寸为管外径，定型尺寸为管外径d；当管排数小于当管排数小于10时应乘以校正系数时应乘以校正系数z，由表，由表12-7确定确定在在应用关用关联式式时应注意以下几点：注意以下几点：应用用范范围准准数数关关联联式式是是一一种种经经验验公公式式，在在利利用用关关联联式式求求对对流流传热系数时，不能超出实验条件范围。传热系数时，不能超出实验条件范围。特特性性尺尺寸寸无无因因次次准准数数Nu、Re等等中中所所包包含含的的传传热热面面尺尺寸寸称称为为特特征征尺尺寸寸。通通常常是是选选取取对对流流体体流流动动和和传传热热发发生生主主要要影影响响的的尺尺寸寸作作为为特征尺寸。特征尺寸。定定性性温温度度流流体体在在对对流流传传热热过过程程中中温温度度是是变变化化的的。确确定定准准数数中中流流体体物物理理特特性性参参数数的的温温度度称称为为定定性性温温度度。一一般般定定性性温温度度有有三三种种取取法法：进进、出出口口流流体体的的平平均均温温度度，壁壁面面平平均均温温度度，流流体体和和壁壁面面的的平平均温度（膜温）。均温度（膜温）。无无因因次次数数群群准准数数是是一一个个无无因因次次数数群群，其其中中涉涉及及到到的的物物理理量量必必须用统一的单位制度。须用统一的单位制度。本章小本章小结理理解解对流流传热系系数数、热附附面面层、有有效效附附面面层、对流流传热简化模型等的意化模型等的意义。掌掌握握牛牛顿冷冷却却公公式式、对流流传热系系数数计算算式式、对流流传热机机理。理。重点掌握管内流重点掌握管内流动对流流传热系数的系数的计算方法。算方法。了了解解流流体体外外绕其其它它物物体体时对流流传热系系数数的的计算算方方法法及及影影响因素。响因素。层流流紊流紊流管内流管内流动温度温度对速度分布的影响速度分布的影响 液体粘度大多随温度升高而降低，气体正相反。液体粘度大多随温度升高而降低，气体正相反。粘度粘度为常数常数液体被加液体被加热或气体被冷却或气体被冷却液体被冷却或气体被加液体被冷却或气体被加热气体气体：R=1+1.77d/R液体：液体：R=1+1.03(d/R)3其中，其中，R弯曲半径弯曲半径弯管效弯管效应离心力离心力二次二次环流流换热增增强温度校正系数温度校正系数t液体加液体加热：液体冷却：液体冷却：气体加气体加热：气体冷却：气体冷却：结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日