5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、一、综述述管内管内单相流体相流体强迫迫对流流传热的的热流量流量1、流、流态及判断及判断用雷用雷诺数数Re判判别v层 流：流：Re104 5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、一、综述述 由由牛牛顿冷冷却却公公式式，管管内内单相相流流体体强迫迫对流流传热的的热流量流量2、流、流动边界界层的形成与的形成与发展展v流流体体进入入管管口口后后，开开始始形形成成边界界层，并并随随流流向向逐逐渐增增厚厚。在在稳态下下，管管中中心心流流速速将将随随边界界层的的增增厚厚而而增增加加，经过一一段段距距离离，管管壁壁两两侧的的边界界层将将在在管管中中心心汇合合，厚厚度度等等于于管管半半径径，同同时管管断断面面流流速速分分布布和和流流动状状态达达到到定定型型，这一一段段距距离离通通称称流流动进口口段段。之之后后，流流态定定型型，流流动达到充分达到充分发展，称展，称为流流动充分充分发展段展段。 3、换热特征特征 v热边界界层同同样存存在在进口口段段与与充充分分发展展段段，流流动进口口段段与与热进口口段段的的长度度不不一一定定相相等等，这取取决决于于Pr：当当Pr1时，流，流动进口段比口段比热进口段短口段短当当Prl时，流，流动进口段比口段比热进口段口段长v热进口段口段长度度L（L/d10-45）常壁温条件常壁温条件下：下：L/d常常热流条件流条件下：下：L/d0.07RePr 3、换热特征特征 v在在Pr1情情况况下下，当当流流动达达到到充充分分发展展时，换热也也进入入热充充分分发展展段段，无无因因次次温温度度分分布布达达到到定定型型，表表面面传热系系数数保保持持不不变。在在进口口处，边界界层最最薄薄，hx具具有有最最高高值，随随后后降降低低。在在层流流情情况况下下，hx趋于于不不变值的的距距离离较长。在在紊紊流流情情况况下下，当当边界界层转变为紊紊流流后后，hx将将有有一一些些回回升升，并并迅迅速速趋于于不不变值。入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段流入口段长度度: :湍流湍流时: :层流流湍流湍流二、管内湍流强迫对流传热 定定性性温温度度采采用用流流体体平平均均温温度度tf；特特征征长度度为管管内径内径di；特征流速特征流速f。流体被加流体被加热时，；流体被冷却，；流体被冷却时， 适用条件：适用条件：温差范温差范围：油：油10，水，水20，气体，气体50长、直管、直管否否则，需要修正：，需要修正： ct温度修正系数温度修正系数 cl短管管短管管长修正系数修正系数 cR弯管修正系数。弯管修正系数。v（1）温度的影响）温度的影响ctv液体：液体：主要是粘性随温度而变化主要是粘性随温度而变化v气体：气体：除了粘性，还有密度和热导率等除了粘性，还有密度和热导率等v1、影响对流换热的几个因素影响对流换热的几个因素 当当流流体体温温度度tf和和壁壁面面温温度度tw相相差差较较大大时时，温温度度场场影影响响速速度度场场，从从而而影影响响对对流流传传热热系系数数。主主要要影影响响流流体体的的粘粘度度，同同时时管管道道的的安安放放位位置置及及热热流流密密度度的方向不同，速度分布也不同。的方向不同，速度分布也不同。v下列温差范围需要修正气体：tw-tf50水：tw-tf20油类：tw-tf10v液体被加热v液体被冷却v气体被加热v气体被冷却（2）入口效应影响）入口效应影响cl 流流体体进进入入管管道道后后，从从入入口口处处开开始始，沿沿流流动动方方向向边边界界层层逐逐渐渐增增厚厚，并并由由层层流流边边界界层层转转变变为为湍湍流流边边界界层层，最最后后边边界界层层在在管管道道中中心心处处汇汇合合，边边界界层层厚厚度度等于管半径，而进入充分发展段。等于管半径，而进入充分发展段。 hx的的变变化化：入入口口段段的的hx比比充充分分发发展段展段的的hx大大对于对于L/d 50短管，应进行修正：短管，应进行修正：v修正系数见图修正系数见图6-3v采用公式采用公式v（3）弯管效应）弯管效应离心力离心力二次环流二次环流换热增强换热增强修正系数：修正系数：气体：气体：液体：液体：2 2、非、非圆形截面槽道形截面槽道 用用当当量量直直径径作作为特特征征尺尺度度应用用到到上上述述准准则方程中去。方程中去。 式式中中： 为槽槽道道的的流流动截截面面积；P P 为湿周湿周长。 注注：对截截面面上上出出现尖尖角角的的流流动区区域域，采采用当量直径的方法会用当量直径的方法会导致致较大的大的误差。差。3 3、其它形式的关、其它形式的关联式式希德希德泰勒公式：稠油、高含蜡原油泰勒公式：稠油、高含蜡原油格尼林斯基公式：计算确定度最高格尼林斯基公式：计算确定度最高4 4、强化化传热措施措施d，h ， h，但要考虑经济性，但要考虑经济性 弯管（螺旋管）、短管弯管（螺旋管）、短管选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）加强扰动加强扰动三、管内层流强迫对流传热三、管内层流强迫对流传热 从从入入口口开开始始，边边界界层层沿沿程程不不断断加加厚厚，边边界界层层的的流流速速较较小小。为为了了保保证证流流量量不不变变，边边界界层层外外流流速速增增加加，边边界界层层急急需需增增厚厚，最最后后在在管管中中心心线线汇汇合合，整整个个管管子子被被层层流流边边界界层占据。层占据。入口段：入口段：充分发展段：充分发展段：hx的变化的变化：入口段的：入口段的hx比充分发展段的比充分发展段的hx大大 实际工程工程换热设备中，中，层流流时的的换热常常常常处于入口段的范于入口段的范围。可采用下列。可采用下列齐德泰特公式：德泰特公式： 适用条件：四、管内过渡区强迫对流传热四、管内过渡区强迫对流传热五、计算步骤五、计算步骤确定特征温度确定特征温度(有时需假设有时需假设)，查物性参数，查物性参数计算计算Re，判别流动形态（若不能求得，判别流动形态（若不能求得Re数，数，先先假设流态假设流态计算，再校核）计算，再校核）根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修正，未知的先正，未知的先假设假设为为1，再校核），再校核）求求Nu和和h利用利用能量守恒定律能量守恒定律，求其它物性参数，求其它物性参数校核校核说明：说明：求管长求管长: 求出换热系数后，由能量守恒公式求出换热系数后，由能量守恒公式 如何从质量流量求速度如何从质量流量求速度 v例例题5-1：在在流流体体的的物物性性和和流流道道截截面面的的周周长相相同同的的条条件件下下, 圆管管和和椭圆管管内内单相相流流体体的的受受迫迫紊紊流流换热, 何者何者换热系数大系数大?为什么什么? 答：答：椭圆管的管的换热系数大。因系数大。因为hd，椭圆管的管的de圆管的管的d。对于周于周长相同的相同的圆和和椭圆，其中，其中椭圆的面的面积小于小于圆的面的面积，而，而 de=4f/U，则de(椭圆)d(圆) 。 例例题题5-2 在在一一冷冷凝凝器器中中，冷冷却却水水以以1m/s的的流流速速流流过过内内径径为为10mm、长长度度为为3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度度分分别别为为15和和65，试试计计算算管管内内的的表表面面传热系数。传热系数。解：解：由于管子细长，由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为的影响。冷却水的平均温度为 从附录从附录7中水的物性表中可查得中水的物性表中可查得 f，vf=0.65910-6m2/s，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。 计算壁面温度计算壁面温度核对温差核对温差 不在范围内，需要修正温差，重新计算不在范围内，需要修正温差，重新计算Nu，h 计算壁面温度计算壁面温度5-6 5-6 外部流动强制对流传热的计外部流动强制对流传热的计算关联式算关联式外外部部流流动：换热壁壁面面上上的的流流动边界界层与与热边界界层能自由能自由发展，不会受到展，不会受到邻近壁面存在的限制。近壁面存在的限制。纵掠平壁掠平壁横掠横掠单管（柱）管（柱）横掠管束横掠管束（自学）（自学）5-7 5-7 自然对流传热自然对流传热v自自然然对流流传热 流流体体在在浮浮升升力力作作用用下下的的对流流换热大大空空间的的自自然然对流流传热：边界界层的的形形成成和和发展不受周展不受周围物体的干物体的干扰（主要介（主要介绍）有限空有限空间自然自然对流流传热：受干受干扰一、大空间的自然对流传热一、大空间的自然对流传热1 1、形成的主要原因、形成的主要原因 静静止止流流体体与与壁壁面面间温温度度差差是是流流体体产生生对流流和和换热的根本原因。的根本原因。温度差温度差密度差密度差浮升力浮升力( (沉降力沉降力)流体沿壁面向上流体沿壁面向上( (下下) )流流动 例例如如：暖暖气气管管道道的的散散热、不不用用风扇扇强制制冷冷却却的的电器元件的散器元件的散热2 2、边界界层的形成与的形成与发展展 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因因而而密密度度降降低低( (与与远处未未受受影影响响的的流流体体相相比比) )，向向上上运运动并并在在板板表表面面形形成成一一个个很很薄薄的的边界界层。如如果果竖板板足足够高高，到到一一定定位位置置也也会会从从层流流发展展成成为湍湍流流边界界层。自自然然对流流湍湍流流时的的换热当当然然也也明明显强于于层流。流。（1 1）温度：）温度：与与纵掠平板掠平板类似似（2 2）速度：）速度：中中间大，两大，两边小小（3）局部）局部对流流换热系数：系数： 传热系系数数开开始始时因因边界界层增增厚厚逐逐渐减减小小，后后又又由由于于层流流边界界层向向湍湍流流边界界层过渡渡，边界界层内内流流体体的的掺混混作作用用使使边界界层热阻阻减减小小，hx，转变为湍湍流流边界界层后后，边界界层充分充分发展，展，hx基本不基本不变。v竖壁、竖圆柱：GrPr109 v横圆柱：GrPr1.5108 v水平板热面朝上：GrPr5106 （4）判判别层流流与与湍湍流流（不不同同形形状状的的换热面面标准不同）准不同）：vGrGr称称为格格拉拉晓夫夫数数，在在物物理理上上，GrGr数数是是浮浮升升力力/ /粘滞力粘滞力比比值的一种量度。的一种量度。vGrGr数的增大表明浮升力作用的相数的增大表明浮升力作用的相对增大。增大。v自然自然对流流换热准准则方程式方程式为工程中广泛使用的是下面的关工程中广泛使用的是下面的关联式：式：对于符合理想气体性于符合理想气体性质的气体，的气体，。 二、大空间自然对流换热的实验关联式二、大空间自然对流换热的实验关联式式中：式中：定性温度定性温度采用膜平均温度采用膜平均温度1、恒壁温特征特征长度度的的选择：竖壁和壁和竖圆柱取高度，柱取高度，横横圆柱取外径。柱取外径。常数常数C和和n的的值见下表。下表。 注注：竖圆柱柱按按下下表表与与竖壁壁用用同同一一个个关关联式式只限于以下情况：只限于以下情况：壁面形状与位置流动情况特征长度Cn适用范围GrPr垂直平壁或圆柱壁面高度0.590.101/41/3水平圆柱圆柱外径d0.850.480.1250.1881/41/3水平热壁上面或水平冷壁下面平壁面积与周长之比A/U圆盘取0.9d0.540.151/41/3水平热壁下面或水平冷壁上面平壁面积与周长之比A/U圆盘取0.9d0.271/42 2 2 2、恒、恒、恒、恒热热流密度流密度流密度流密度( ( ( (电电子、子、子、子、电电气元件自然气元件自然气元件自然气元件自然对对流流流流) ) ) ) 壁壁壁壁面面面面热热流流流流密密密密度度度度给给定定定定，但但但但壁壁壁壁面面面面温温温温度度度度未未未未知知知知，并并并并且且且且沿沿沿沿壁壁壁壁面面面面分分分分布布布布不不不不均均均均匀匀匀匀，往往往往往往往往需需需需要要要要确确确确定定定定局局局局部部部部壁壁壁壁面面面面温温温温度度度度。对对于于于于垂垂垂垂直直直直壁壁壁壁面面面面，引引引引进进一个一个一个一个修正的局部格拉晓夫数修正的局部格拉晓夫数修正的局部格拉晓夫数修正的局部格拉晓夫数 层层流：流：流：流：湍流：湍流：湍流：湍流：定性温度：定性温度：定性温度：定性温度：，由于，由于，由于，由于t tw w,x ,x未知，需采用未知，需采用未知，需采用未知，需采用试试算法。算法。算法。算法。小小 结结 （1 1）对对流流流流换热换热的影响因素；的影响因素；的影响因素；的影响因素； （2 2）对对流流流流换热换热的数学模型；的数学模型；的数学模型；的数学模型； （3 3）边边界界界界层层概念及其特征，概念及其特征，概念及其特征，概念及其特征，对对求解求解求解求解对对流流流流换热问题换热问题的意的意的意的意义义； （4 4 4 4）对对流流流流换热问题换热问题解的形式解的形式解的形式解的形式特征数关特征数关特征数关特征数关联联式；式；式；式； （5 5）NuNu、ReRe、PrPr、GrGr表达式及其物理意表达式及其物理意表达式及其物理意表达式及其物理意义义； （6 6 6 6）相相相相似似似似原原原原理理理理主主主主要要要要内内内内容容容容及及及及其其其其对对解解解解决决决决对对流流流流换换热热问问题题的的的的指指指指导导意意意意义义； （7 7 7 7）单单相相相相流流流流体体体体管管管管内内内内强强迫迫迫迫对对流流流流、外外外外掠掠掠掠壁壁壁壁面面面面、自自自自然然然然对对流流流流换换热热的特点及其影响因素；的特点及其影响因素；的特点及其影响因素；的特点及其影响因素； （8 8 8 8）会利用特征数关会利用特征数关会利用特征数关会利用特征数关联联式式式式计计算上述算上述算上述算上述对对流流流流换热问题换热问题。本章作业本章作业5-15-1，5-55-5，5-85-8，5-105-10，5-165-16，5-215-21，5-225-22