5传热学-课堂练习(精品)

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,(Convection Heat Transfer),例,5-1,由对流换热微分方程 可知，该公式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数,h,与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性。,典型题精解,解,：,这种说法不正确,。,因为在描述流动的能量微分方,程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，,必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”，因此，,表面传热系数必与流体速度场有关。,例,5-2,在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大？为什么？有人说一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数,h,的大小，你认为呢？,解,：,在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程,，对一定表面传热温差的同种流体，,与,t,均保持为常数，因而，可用 绝对值的大小来判断表面传热系数,h,的大小。,例,5-3,对流换热边界层微分方程组是否适用于粘度很大的油和,Pr,数很小的液态金属？为什么？,解,：,对粘度很大的油类，,Re,数很低，速度边界层厚度 与,x,为同一数量级，因而动量微分方程中 与 为同一级，不可忽略，且此时由于与 ，速度,u,和,v,为同一量级，,y,方向的动量微分方程不能忽略。,例,5-4,试比较准则数,Nu,和,Bi,的异同,!,解：,从形式上看，,Nu,数（,Nu,=,）与,Bi,数（,Bi,=,）完全相同，但二者物理意义却不同。,Nu,数中的,为流体的导热系数，而一般,h,未知，因而,Nu,数一般是待定准则。,Nu,数的物理意义表示壁面附近流体的无量纲温度梯度，它表示流体对流换热的强弱。而,Bi,数中,的为导热物体的导热系数，且一般情况下,h,已知，,Bi,数一般是已定准则。,Bi,数的物理意义是导热体内部导热热阻,(),与外部对流热阻,(,l/,h,),的相对大小。,例,5-5,对管内强制对流换热，考虑温差修正系数时，为何对气体采用温度形式，而对液体却采用粘度形式？,解：在热边界层内温度场影响流体的物性值。对于液体，主要影响其粘度，而对密度等影响不大，因而温差修正系数采用粘度形式，即 的形式；而对气体，温度场不仅影响其粘度，还影响其密度,，导热系数,等参量，而所有这些参量均与温度有一定函数关系，所以采用温度形式修正，即 的形式。,例,5-6,对管内强制对流换热，为何采用的短管和弯管可以强化流体的换热？,解：,采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段，温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口段效应”，从而强化换热。而对弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用，在截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化了换热！,例,5-7,对管内流层强制对流换热，试定性给出沿管轴方向局部表面传热系数 随,x,的变化曲线。并说明在传热温差一定的情况下，为何平均表面传热系数 总是高于局部表面传热系数？,解：,由于入口效应，入口段热边界层较薄，因而换热较强。局部表面传热系数较高，且沿主流方向逐渐降低。当换热达充分发展段（温度边界层汇合于管子中心线后），局部表面传热系数,hx,将保持不变，随,x,的变化趋势如图,5-3,实线所示。,图,5-3,管内强制对流换热表面传热系数曲线,在传热温差一定时，平均表面传热系数,h,m,与局部表面传热系数,h,x,有如下关系,:,由上述积分的性质可知，在,0,x,区间内的平均值,h,m,要高于,x,处的局部值，因而平均表面传热系数总是位于局部值的上方（如上图中虚线所示）。,例,5-8,试举例说明，对管内强制对流换热的定量计算何时应采用试算法,(,迭代法,),？如何判断迭代过程达到收敛？,解：,一般有以下几种情形，宜采用试算法。,(1),管长,L,未知。因为管内湍流换热达充分发展时要求,L/d60,。此时可先假定满足此条件，即令,L,=l,，待根据热平衡方程求出管长后，再校正。,(2),流体速度未知。此时先假定流速，根据,Re,数选择层流或湍流公式，再根据热平衡方程对流速进行校正。,(3),管内壁温度未知。由于内壁温未知，因而流体与壁温之差,t,=,t,w,i,-,t,f,未知，无法确定是否需要进行温差修正。此时可先假定,t,=1,，然后由热平衡方程确定内壁温,t,w,i,，再进行修正。,(4),管径,d,未知，因此无法确定是否是层流、湍流和满足,l,/,d,60,的条件。处理方法与流速和管长未知的情形类似。,(5),流体出口温度 未知。此时流体平均温度,亦未知，因而无法确定流体物性,(,如,，,Pr,，,等,),及是否要进行温差修正。处理方法先假设流体出口温度，按对流换热问题的求解步骤进行计算，最后用热平衡方程求出 ，再进行迭代计算，直到满足热平衡偏差为止。,迭代过程收敛的条件为热平衡偏差值小于,5%,。,例,5-9,试计算图,5-4(a),，,(b),，,(c),三种情形的当量直径，其中阴影线的部分表示流体流过的通道。,解,：,d,2,d,1,(a),d,2,d,1,(c),d,l,l,l,(b),图,5-4,通道截面图,P,=3(,l,d,d,/6)=3(,l,d,)+1/2,d,例,5-10,其它条件相同时，同一根管 子横向冲刷与纵向冲刷相比，哪种情 形表面传热系数大，为什么？,解：,横向冲刷时表面传热系数大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较厚，而横向冲刷时热边界层较薄且存在由于边界层分离而产生的漩涡，增加了流体的扰动，因而换热增强。,