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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,*,*,*,5-7,内部流动强制对流换热实验关联式,1、,管(槽)内强制对流流动和换热换热的特征,流体在管内流动属于内部流动过程，其主要特征是，流动存在着两个明显的区段，即流动进口区段和流动充分开展区段,1进口段和充分开展段,11定义,12性质与特点,a充分开展段流动的特点,a充分开展段:流体流速分布及流态定型，流动边界层及热边界层集合于管子中心线，称流动或换热已充分开展。,b进口段:自管口至流体流速和流态分布定型的距离。一般地，自进口到充分开展段之间地区域称为入口段。,其中，,t=t(x,r),上式说明，充分开展段流动的一个特点是无量纲温度随管长保持不变。,另外，由于,而同时又有,于是，得,上式又说明，常物性流体在热充分开展段的一个特点是换热系数保持不变。,另外，如果边界层在管中心处集合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分开展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。,如果边界层在管中心处集合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分开展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。,入口段热边界层较薄，局部外表传热系数比充分开展段高，且沿主流方向逐渐降低。,b入口段流动的特点,当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在开展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心集合，从而进入热充分开展的流动换热区域，在热边界层集合之前也就必然存在热进口区段。,流动进口段长度：,热进口段长度,：,13管内流动充分开展段的流态判断,层流,旺盛湍流,过渡流,由于,假设 Pr1,那么意味着流动进口段短于热进口段；,假设 Prt,f,)n=0.4,流体被冷却(即t,w,t,f,)n=0.3。,使用范围：Ref=104 1.2105,Prf=0.7 120,l/d 60；所谓温差tw-tf较小，指对于气体 50；对于水2030，对于油类流体10。,当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换，如以下图。,液体被加热或气体被冷却,液体被冷却或气体被加热,恒定温度的情况,管内流动温度对速度分布的影响示意图,大温差情况下计算换热时准那么式右边要乘以物性修正项。,对于液体，乘以,如液体被加热，,n=,0.11；如液体被冷却，,n=,0.25；,对于气体，那么乘以:,如气体被加热，,n=,0.55；如气体被冷却，,n=,0。另外，温度取绝对温标数值。,几点说明：,1以上为经验公式，仅适用于流动与传热的充分开展段；,2对于非圆形管槽，定型尺寸应采用当量直径de计算；,其中，f为断面面积，U为流体润湿周长。对于椭圆管，,对于同心圆管，,3弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由于离心力的作用会形成垂直于流动方向的二次流动，从而加强流体的扰动，带来换热的增强。,弯曲管道流动情况示意图,在平直管计算结果的根底上乘以一个大于1的 修正系数 CR。,流体为气体时：CR1+1.77(d/R),流体为液体时：CR1+10.3(d/R)3,其中，R为弯曲管的曲率半径,当管子的长径比l/d60时，属于短管内流动换热，进口段的影响不能无视。此时亦应在按照长管计算出结果的根底上乘以相应的修正系数Cl。,管内层流换热准那么关系式,当雷诺数Re0.48，Re*Pr*(d/L)10,用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性温度与管内紊流换热准那么关系式相同。,管内层流换热特点,1对于同一截面形状的通道，均匀热流条件下的Nu总是高于均匀壁温下的Nu，热边界条件的影响不能忽略；,2对于等截面通道，层流充分开展时的Nu数与Re无关；比方，对于管内常壁温流动(tw=const)，Nuf=3.66；对于管内常热流流动(qw=const)，Nuf=4.36,3对于使用当量直径作特征尺寸时，不同截面管道层流充分开展段的Nu数不同,管内过渡流区换热准那么关系式,当雷诺数处于Re23000.6，Re*Pr*(d/L)10,用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性温度与管内紊流换热准那么关系式相同。,对于液体,:,适用范围：2300Re,f,Pr1.5，0.05Pr,f,/Pr,w,20,用于平直管。,粗糙管壁换热的准那么关系式,由于,:,；,；,雷诺类比,可得,:,考虑物性影响，得,:,其中,:,层流,10,3,Re2*10,5,另外，在知道,p,，,和 u,m,的情况下，也可直接由下式计算,计算管内换热的步骤：1求定性温度，查物性参数；2计算Re，判别流型；3根据Re，选公式，并求Nu及；4根据能量守恒，求管子长度。,例1,空气以2m/s的速度在内径为10 mm的管内流动，入口处空气的温度为20，管壁温度为120，试确定将空气加热至60所需管子的长度,。,分析,定性温度为,t,f,=(20+60)/2=40，查出空气的物性参数为：,=1.128 kg/m,3,，C,p,=1.005 kJ/kg,，,=2.76,10,-2,W/m,，,f,=19.1,10,-6,kg/m,s，Pr=0.699。而当,t,w,=120时，查得,w,=22.8,10,-6,kg/m,s。,计算雷诺数。Re=(um*d)/=1.1810310,代入有关数据，得：,h=10.12L,-1/3,。,而由能量平衡，又有:,代入数据，得：hL=2.83,比较上述两步计算得到的结果，有10.12L-1/3*L=2.83，解得L=0.148 m。由于L10,定性温度,t,f,=90，查出管中水的物性参数为：,f,=,0.326,10,-6,m,2,/s,。,，,f,=3.15,10,-4,kg/m,s，Pr=1.95。而当,t,w,=115时，查得,w,=2.48,10,-4,kg/m,s。,计算雷诺数。Re=(u,m,*d)/,=,4.43,10,4,2300，故流动为湍流。可套Sieder-Tate公式,181.9,于是，由,得,例3：P170(5-5),Exe:5-27,5-32,5-36,例4：热空气以质量流率 =0.05kg/s通过不隔热、内直径为D=0.15m的铁皮管道；风道暴露在温度为t=0的冷空气环境中，风道外外表与冷空气环境之间的综合换热系数为h0=6W/m2K。空气进入风道时的温度为103，经过长距离后，冷却到77。试分析：1在整个长度为L上的风道散热损失；2确定处的热流密度及风道外表温度。,分析,：,首先确定定性温度，查物性参数。得Pr=0.70;,=0.03W/mK；=20810,-7,Ns/m,2,；Cp=1010J/kgK,1：由整个风道能量平衡，得,代入相关数据，于是有,2：建立x=L处的热流图和热阻回路，可得,其中，h,x,(L)是L处管内的对流换热系数。,由于,因此为管内湍流流动。又 L/D=5/0.15=33.310,t,f,t,w,故可套公式,即,于是可得,那么,而,于是有,
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