《传热学（第四版）》课件第六章单相1

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 对流换热,*,第六章 单相对流传热的实验关联式,Convection Heat Transfer,1,第五章 对流换热,试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题,:,(1),变量太多,6-1,相似原理及量纲分析,1,问题的提出,A,实验中应测哪些量,（是否所有的物理量都测）,B,实验数据如何整理,（整理成什么样函数关系）,(2),实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？,相似原理将回答上述三个问题,2,第五章 对流换热,相似原理的研究内容：,研究,相似物理现象,之间的关系，,物理现象相似：,对于,同类,的物理现象,，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的,物理量一一对应成比例,。,同类物理现象：,用,相同形式,并具有,相同内容,的微分方程式所描写的现象。,3,物理现象相似的特性,同名特征数对应相等；,各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：,特征数方程：无量纲量之间的函数关系,3,第五章 对流换热,4,物理现象相似的条件,同名的已定特征数相等,单值性条件相似：,初始条件、边界条件、几何条件、物理条件,实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性,解决了实验中测量哪些物理量的问题,按,特征数,之间的函数关系,整理实验数据，得到实用关联式,解决了实验中实验数据如何整理的问题,因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？它们之间的函数关系如何？,这就是我们下一步的任务,可以在相似原理的指导下采用模化试验,解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题,4,第五章 对流换热,5,无量纲量的获得：,相似分析法和量纲分析法,相似分析法：,在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。,以左图的对流换热为例，,现象,1,：,现象,2,：,数学描述：,5,第五章 对流换热,建立相似倍数：,相似倍数间的关系：,6,第五章 对流换热,获得无量纲量及其关系：,上式证明了,“同名特征数对应相等”,的,物理现象相似,的特性,类似地：通过动量微分方程可得：,能量微分方程,：,贝克来数,7,第五章 对流换热,对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数,格拉晓夫数,式中：,流体的体积膨胀系数,K,-1,Gr,表征流体,浮生力,与,粘性力,的比值,(2),量纲分析法：,在,已知相关物理量,的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。,8,第五章 对流换热,a,基本依据：, 定理，,即一个表示,n,个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换为包含,n - r,个独立的无量纲物理量群间的关系。,r,指基本量纲的数目。,b,优点,:,(a),方法简单；,(b),在不知道,微分方程,的情况下，仍然可以获得无量纲量,c,例题：,以圆管内单相强制对流换热为例,(a),确定相关的物理量,(,b),确定基本量纲,r,9,第五章 对流换热,国际单位制中的,7,个基本量：,长度,m,，,质量,kg,，,时间,s,，,电流,A,，,温度,K,，,物质的量,mol,，,发光强度,cd,因此，上面涉及了,4,个基本量纲：时间,T,，,长度,L,，,质量,M,，,温度,r = 4,10,第五章 对流换热,n r = 3,，,即应该有三个无量纲量，因此，我们必须选定,4,个基本物理量，以与其它量组成三个无量纲量。我们选,u,d,为基本物理量,(c),组成三个无量纲量,(d),求解待定指数，以,1,为例,11,第五章 对流换热,12,第五章 对流换热,同理：,于是有：,单相、强制对流,13,第五章 对流换热,同理，对于其他情况：,自然对流换热：,混合对流换热：,Nu ,待定特征数 （含有待求的,h,）,Re,，,Pr,，,Gr,已定特征数,按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题,强制对流,:,14,第五章 对流换热,(1),模化试验应遵循的原则,a,模型与原型中的对流换热过程必须相似；要满足上述判别相似的条件,b,实验时改变条件，测量与现象有关的、相似特征数中所包含的全部物理量，因而可以得到几组有关的相似特征数,c,利用这几组有关的相似特征数，经过综合得到特征数间的函数关联式,1,如何进行模化试验,6-2,相似原理的应用,15,第五章 对流换热,(a),流体温度：,(2),定性温度、特征长度和特征速度,a,定性温度：,相似特征数中所包含的物性参数，如：,、,、,Pr,等，往往取决于温度,确定物性的温度即定性温度,流体沿平板流动换热时：,流体在管内流动换热时：,(b),热边界层的平均温度：,(c),壁面温度：,在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如：,使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致,16,第五章 对流换热,b,特征长度：,包含在相似特征数中的几何长度；,应取对于流动和换热有显著影响的几何尺度,如：管内流动换热：取直径,d,流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取,当量直径,作为特征尺度：,当量直径,(de),：,过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直径,A,c,过流断面面积，,m,2,P,湿周，,m,17,第五章 对流换热,c,特征速度,：,Re,数中的流体速度,流体外掠平板或绕流圆柱：,取来流速度,管内流动：,取截面上的平均速度,流体绕流管束：,取最小流通截面的最大速度,18,第五章 对流换热,2,常见无量纲,(,准则数,),数的物理意义及表达式,19,第五章 对流换热,3,实验数据如何整理,（整理成什么样函数关系）,特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性,目的：,完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：,式中，,c,、,n,、,m,等需由实验数据确定，,通常由,图解法,和,最小二乘法,确定,20,第五章 对流换热,实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算,机确定各常量,特征数关联式与实验数据的偏差用百分数表示,幂函数在对数坐标图上是直线,21,第五章 对流换热,（,1,） 实验中应测哪些量,（是否所有的物理量都测）,（,2,） 实验数据如何整理,（整理成什么样函数关系）,（,3,） 实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？,回答了关于试验的三大问题：,所涉及到的一些概念、性质和判断方法：,物理现象相似、同类物理现象、 物理现象相似的特性、,物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度,无量纲量的获得：,相似分析法和,量纲分析法,22,第五章 对流换热,自然对流换热：,混合对流换热：,强制对流,:,常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义,模化试验应遵循的准则数方程,试验数据的整理形式：,23,第五章 对流换热,6-3,内部流动强制对流换热实验关联式,管槽内强制对流流动和换热的特征,1.,流动有层流和湍流之分,层流：,过渡区：,旺盛湍流：,24,第五章 对流换热,2.,入口段的热边界层薄，表面传热系数高。,层流入口段长度,:,湍流时,:,层流,湍流,25,第五章 对流换热,3.,热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种,。,湍流：,除液态金属外，两种条件的差别可不计,层流：,两种边界条件下的换热系数差别明显。,26,第五章 对流换热,4.,特征速度及定性温度的确定,特征速度,一般多取截面平均流速。,定性温度,多为截面上流体的平均温度（或进出口截面平均温度）。,5.,牛顿冷却公式中的平均温差,对,恒热流,条件，可取 作为 。,对于,恒壁温,条件，截面上的局部温差是个变值，应利用热平衡式：,27,第五章 对流换热,式中， 为质量流量； 分别为出口、进口截面上,的平均温度； 按对数平均温差计算：,28,第五章 对流换热,二,.,管内湍流换热实验关联式,实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式：,加热流体时 ，,冷却流体时 。,式中,:,定性温度采用流体平均温度 ，特征长度为,管内径。,实验验证范围：,此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合,。,29,第五章 对流换热,实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。,一般在关联式中引进乘数,来考虑不均匀物性场对换热的影响。,30,第五章 对流换热,大温差情形，可采用下列任何一式计算。,（,1,）迪贝斯贝尔特修正公式,对气体被加热时，,当气体被冷却时，,对液体,液体受热时,液体被冷却时,31,第五章 对流换热,（,2,）采用齐德泰特公式：,定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确,定），管内径为特征长度。,实验验证范围为：,32,第五章 对流换热,（,3,）采用米海耶夫公式：,定性温度为流体平均温度 ，管内径为特征长度。,实验验证范围为：,33,第五章 对流换热,上述准则方程的应用范围可进一步扩大。,（,1,）非圆形截面槽道,用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。,式中： 为槽道的流动截面积；,P,为湿周长。,注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的,方法会导致较大的误差。,34,第五章 对流换热,（,3,）螺线管,螺线管,强化了换热。对此有螺线,管修正系数：,对于气体,对于液体,（,2,）入口段,入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入,口，有以下入口效应修正系数：,35,第五章 对流换热,以上所有方程仅适用于 的气体或液体。,对 数很小的液态金属，换热规律完全不同。,推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：,均匀热流边界,实验验证范围：,均匀壁温边界,实验验证范围：,特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。,36,第五章 对流换热,三,.,管内层流换热关联式,层流充分发展对流换热的结果很多。,37,第五章 对流换热,续表,38,第五章 对流换热,39,第五章 对流换热,定性温度为流体平均温度 （ 按壁温,确定），管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。,实验验证范围为：,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。可采用下列齐德泰特公式。,40,第五章 对流换热,6-4,外部强制对流传热实验关联式,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。,一,.,横掠单管换热实验关联式,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,动具有边界层特征，,还会发生绕流脱体。,41,第五章 对流换热,边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征。,42,第五章 对流换热,虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。,43,第五章 对流换热,可,采用以下分段幂次关联式：,式中：,C,及,n,的值见下表；定性温度为,特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度,实验验证范围：,，,。,44,第五章 对流换热,对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式。,注：,指数,C,及,n,值见下表，表中示出的几何尺寸,是计算 数及 数时用的特征长度。,45,第五章 对流换热,上述公式对于实验数据一般需要分段整理。,邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。,式中：定性温度为,适用于 的情形。,46,第五章 对流换热,二,.,横掠管束换热实验关联式,外掠管束在换热器中最为常见。,通常管子有,叉排,和,顺排,两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。,影响管束换热的因素除 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。,47,第五章 对流换热,气体横掠,10,排以上管束的实验关联式为,式中：定性温度为 特征长度为管外径,d,，,数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。,实验验证范围：,C,和,m,的值见下表。,后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到,10,排以上的管子才能消失。,这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用,管束排数,的因素作为修正系数。,48,第五章 对流换热,49,第五章 对流换热,对于排数,少于,10,排,的管束，平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排修正系数 。,的值引列在下表。,50,第五章 对流换热,茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很,宽的 数变化范围内更便于使用的公式。,式中：定性温度为进出口流体平均流速； 按管,束的平均壁温确定； 数中的流速取管束,中最小截面的平均流速；特征长度为管子外,径。,实验验证范围：,51,第五章 对流换热,52,第五章 对流换热,6-5,自然对流换热及实验关联式,自然对流：,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。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。,53,第五章 对流换热,波尔豪森分析解与施密特贝克曼实测结果,54,第五章 对流换热,自然对流亦有层流和湍流之分。,层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。,旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。,55,第五章 对流换热,从,对流换热微分方程组出发，可得到自然对流换热的准则方程式,参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。,在 方向， ，并略去二阶导数。,由于在薄层外 ，从上式可推得,56,第五章 对流换热,将此,关系带入上式得,引入体积膨胀系数 ：,代入动量方程并令,改写原方程,57,第五章 对流换热,采用相似分析方法，以 及,分别作为流速、长度及过余温度的标尺，得,式中 。,进一步化简可得,58,第五章 对流换热,式中第一个组合量 是雷诺数，第二个组合,量可改写为（与雷诺数相乘）：,称为,格拉晓夫数,。,在物理上， 数是浮升力,/,粘滞力比值的一种量度。,数的增大表明浮升力作用的相对增大。,自然对流换热准则方程式为,59,第五章 对流换热,自然对流换热可分成,大空间,和,有限空间,两类。,大空间自然对流：,流体的冷却和加热过程互不影响，边界层不受干扰。,如图两个热竖壁。底部封闭，只要,底部开口时，只要 壁面换热就可按大空间自然对流处理。（大空间的相对性）,60,第五章 对流换热,工程中广泛使用的是下面的关联式：,式中：定性温度采用 数中的,为 与 之差，,对于符合理想气体性质的气体， 。,特征长度,的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。,常数,C,和,n,的值见下表。,一,.,大空间自然对流换热的实验关联式,61,第五章 对流换热,注：,竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下,情况：,62,第五章 对流换热,习惯上，对于,常热流,边界条件下的自然对流，往往采用下面方便的专用形式：,式中：定性温度取平均温度 ，特征长度对矩形取短边长。,按此式整理的平板散热的结果示于下表。,63,第五章 对流换热,这里流动比较复杂，不能套用层流及湍流的分类。,64,第五章 对流换热,二,.,有限空间自然对流换热,这里,仅,讨论如图所示的,竖,的和,水平,的两种,封闭夹层,的自然对流换热，而且推荐的冠军事仅局限于气体夹层。,封闭夹层示意图,65,第五章 对流换热,夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度,为特征长度的 数：,当,极低,时换热依靠纯,导热,：,对于竖直夹层，当,对水平夹层，当,另：,随着 的提高，会依次出现向层流特征过渡的,流动（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流,动。,对竖夹层，纵横比 对换热有一定影响。,66,第五章 对流换热,一般关联式为,对于,竖空气,夹层，推荐以下实验关联式：,67,第五章 对流换热,对于水平空气夹层，推荐以下关联式：,式中：定性温度均为 数中的特征,长度均为 。,对竖空气夹层， 的实验验证范围为,实际上，除了自然对流外，夹层中还有辐射换热，此时通过夹层的换热量应是两者之和。,68,第五章 对流换热,三,.,自然对流与强制对流并存的混合对流,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,一般认为，,时，自然对流的影响不能忽略，,而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以,忽略不计。,自然对流对总换热量的影响低于,10,的作为纯强制对流；,强制对流对总换热量的影响低于,10,的作为纯自然对流；,这两部分都不包括的中区域为混合对流。,69,第五章 对流换热,70,第五章 对流换热,上图为流动分区图。其中 数根据管内径,及 计算。定性温度为,71,第五章 对流换热,混合对流的实验关联式这里不讨论。,推荐一个简单的估算方法：,式中： 为混合对流时的 数，,而 、 则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。,两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。,n,之值常取为,3,。,72,第五章 对流换热,思考题：,1.,对流换热是如何分类的,?,影响对流换热的主要物理因素,.,2.,对流换热问题的数学描写中包括那些方程,?,3.,自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别,?,4.,从流体的温度场分布可以求出对流换热系数,(,表面传热系,数,),其物理机理和数学方法是什么,?,5.,速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义,.,6.,管外流和管内流的速度边界层有何区别,?,7.,为什么说层流对流换热系数基本取决与速度边界层的厚度,?,8.,从边界层积分方程的应用结果来说明,.,9.,为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度,?,10.,对十分长的管路,为什么在定性上可以判断管路内层流,对流换热系数是常数,?,73,第五章 对流换热,11.,如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组,?,12.,如何将边界层对流换热微分方程组转化为无量纲形式,?,13.,为什么说对强制对流换热问题,总可以有,: Nu=f(Re,Pr),的数学方程形式,?,14.,什么是特性长度和定性温度,?,选取特性长度的原则是什么,?,15.,对管内流和管外流, Re,准则数中的特性长度的取法是不一,样的,.,说明其物理原因,.,16.,当量水利直径的定义和计算方法,.,17.,湍流动量扩散率,湍流热扩散率,湍流普朗特数是如何定,义的,?,它们是物性么,?,18.,什么是雷诺比拟,?,它怎样推导出摩擦系数和对流换热系数,间的比拟关系式,?,19.,什么是相似原理,?,判断物理相似的条件,?,相似原理在工程,中有什么作用,?,74,第五章 对流换热,20.,比拟和相似之间有什么联系和区别,?,21.,使用相似分析法推导准则关系式的基本方法,.,22.,使用,定理推导准则关系式的基本方法,.,23.Nu, Re, Pr,Gr,准则数的物理意义,.,24.,在有壁面换热条件时,管内流体速度分布的变化特点,.,25.,管内强制对流换热系数及换热量的计算方法,.,如何确定,特性长度和定性温度,?,26.,流体横琼单管和管束时对流换热的计算方法,.,27.,竖壁附近自然对流的温度分布,速度分布的特点,?,换热,系数的特点,?,28.,大空间自然对流换热的计算方法,.,如何确定横管和竖管,的特性长度,?,29.,如何区分自然对流是属于大空间自然对流还是受限空,间自然对流,?,75,第五章 对流换热,30.,如何计算物体表面自然对流和辐射换热同时需要考虑的,换热问题,?,31.,如何使用实验数据整理对流换热准则数实验方程式,?,32.,对自然对流换热,自模化的物理意义及工程应用意义,.,33.,混合对流的概念,.,76,第五章 对流换热,作业：,第四版 ,-,-,-,-,-,（第三版,5-19,，,5-31,，,5-43, 5-55,，,5-70,）,77,第五章 对流换热,