5-5 管内管内强迫迫对流流传热的的实验关关联式式一、综述一、综述 管内单相流体强迫对流传热的热流量管内单相流体强迫对流传热的热流量1、流态及判别、流态及判别用雷诺数用雷诺数Re判别判别层层 流：流：Re104 5-5 管内管内强迫迫对流流传热的的实验关关联式式一、综述一、综述 由由牛牛顿顿冷冷却却公公式式，管管内内单单相相流流体体强强迫迫对对流流传传热的热流量热的热流量2、流动边境层的构成与开展、流动边境层的构成与开展v流流体体进进入入管管口口后后，开开场场构构成成边边境境层层，并并随随流流向向逐逐渐渐增增厚厚。在在稳稳态态下下，管管中中心心流流速速将将随随边边境境层层的的增增厚厚而而添添加加，经经过过一一段段间间隔隔，管管壁壁两两侧侧的的边边境境层层将将在在管管中中心心集集合合，厚厚度度等等于于管管半半径径，同同时时管管断断面面流流速速分分布布和和流流动动形形状状到到达达定定型型，这这一一段段间间隔隔通通称称流流动动进进口口段段。之之后后，流流态态定定型型，流流动动到达充分开展，称为流动充分开展段。到达充分开展，称为流动充分开展段。 3、换热特征特征 热边境境层同同样存存在在进口口段段与与充充分分开开展展段段，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，这取决于取决于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热进口段口段长度度LL/d10-45常壁温条件下：常壁温条件下：L/d0.05RePr常常热流条件下：流条件下：L/d0.07RePr 3、换热特征、换热特征 在在Pr1情情况况下下，当当流流动动到到达达充充分分开开展展时时，换换热热也也进进入入热热充充分分开开展展段段，无无因因次次温温度度分分布布到到达达定定型型，外外表表传传热热系系数数坚坚持持不不变变。在在进进口口处处，边边境境层层最最薄薄，hx具具有有最最高高值值，随随后后降降低低。在在层层流流情情况况下下，hx趋趋于于不不变变值值的的间间隔隔较较长长。在在紊紊流流情情况况下下，当当边边境境层层转转变变为为紊紊流流后后，hx将有一些上升，并迅速趋于不变值。将有一些上升，并迅速趋于不变值。入口段的热边境层薄，外表传热系数高。 层流入口段长度: 湍流时:层流层流湍流湍流二、管内湍流强迫对流传热定性温度采用流体平均温度tf；特征长度为管内径di；特征流速f。流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3 适用条件：适用条件：温差范围：油温差范围：油10，水，水20，气体，气体50长、直管长、直管否那么，需求修正：否那么，需求修正： 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。v1温度的影响温度的影响ctv液体：主要是粘性随温度而液体：主要是粘性随温度而变化化v气体：除了粘性，气体：除了粘性，还有密度和有密度和热导率等率等v1、影响对流换热的几个要素、影响对流换热的几个要素 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的方向不同，速度分布也不同。度的方向不同，速度分布也不同。v以下温差范围需求修正v气体：tw-tf 50v 水： tw-tf 20v油类：tw-tf 10v液体被加热v液体被冷却v气体被加热v气体被冷却2入口效入口效应影响影响cl 流流体体进入入管管道道后后，从从入入口口处开开场，沿沿流流动方方向向边境境层逐逐渐增增厚厚，并并由由层流流边境境层转变为湍湍流流边境境层，最最后后边境境层在在管管道道中中心心处集集合合，边境境层厚厚度度等于管半径，而等于管半径，而进入充分开展段。入充分开展段。 hx的的变化化：入入口口段段的的hx比比充充分分开展段的开展段的hx大大对于于L/d 50短管，短管，应进展修正：展修正：修正系数修正系数见图6-3采用公式采用公式v3弯管效应弯管效应离心力离心力二次二次环流流换热加加强修正系数：修正系数：气体：气体：液体：液体：2 2、非圆形截面槽道、非圆形截面槽道 用用当当量量直直径径作作为为特特征征尺尺度度运运用用到到上上述述准那么方程中去。准那么方程中去。 式式中中： 为为槽槽道道的的流流动动截截面面积积；P P 为为湿周长。湿周长。 注注：对对截截面面上上出出现现尖尖角角的的流流动动区区域域，采采用当量直径的方法会导致较大的误差。用当量直径的方法会导致较大的误差。3 3、其它方式的关联式、其它方式的关联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：格尼林斯基公式：计算确定度最高算确定度最高4 4、强化传热措施、强化传热措施d，h ， h，但要思索，但要思索经济性性 弯管螺旋管、短管弯管螺旋管、短管选用比用比热大的流体空气冷却、大的流体空气冷却、氢冷、水冷冷、水冷加加强扰动三、管内层流强迫对流传热三、管内层流强迫对流传热 从从入入口口开开场，边境境层沿沿程程不不断断加加厚厚，边境境层的的流流速速较小小。为了了保保证流流量量不不变，边境境层外外流流速速添添加加，边境境层急急需需增增厚厚，最最后后在在管管中中心心线集集合合，整整个个管管子子被被层流流边境境层占据。占据。入口段：入口段：充分开展段：充分开展段：hx的变化：入口段的的变化：入口段的hx比充分开展段的比充分开展段的hx大大 实践工程换热设备中，层流时的换热经常处实践工程换热设备中，层流时的换热经常处于入口段的范围。可采用以下齐德泰特公式：于入口段的范围。可采用以下齐德泰特公式： 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，判别流动形状假设不能求得，判别流动形状假设不能求得Re数，先假设流态计算，再校核数，先假设流态计算，再校核根据流态选关联式，思索修正知道的先修根据流态选关联式，思索修正知道的先修正，未知的先假设为正，未知的先假设为1，再校核，再校核求求Nu和和h利用能量守恒定律，求其它物性参数利用能量守恒定律，求其它物性参数校核校核阐明：明：求管求管长: 求出求出换热系数后，由能量守恒公式系数后，由能量守恒公式 如何从如何从质量流量求速度量流量求速度 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一一样的的条条件件下下, 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? v答答：椭圆管管的的换热系系数数大大。由由于于hd-0.2，椭圆管管的的de圆管管的的d。对于于周周长一一样的的圆和和椭圆，其其中中椭圆的的面面积小小于于圆的的面面积，而而 de=4f/U，那么那么de(椭圆)d(圆) 。 例例题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内内径径为10mm、长度度为3m的的铜管管，冷冷却却水水的的进、出出口口温温度度分分别为15和和65，试计算算管管内内的的外外表表传热系数。系数。解：由于管子解：由于管子细长，l/d较大，可以忽略大，可以忽略进口段口段的影响。冷却水的平均温度的影响。冷却水的平均温度为 从附从附录7中水的物性表中可中水的物性表中可查得得 f=0.635W/m.K，vf=0.65910-6m2/s，Pr=4.31管内雷管内雷诺数数为 管内流管内流动为旺盛紊流。旺盛紊流。 计算壁面温度算壁面温度核核对温差温差 不在范不在范围内，需求修正温差，重新内，需求修正温差，重新计算算Nu，h 计算壁面温度算壁面温度5-6 5-6 外部流外部流动强迫迫对流流传热的的计算关算关联式式外外部部流流动动：换换热热壁壁面面上上的的流流动动边边境境层层与与热热边边境境层层能自在开展，不会遭到临近壁面存在的限制。能自在开展，不会遭到临近壁面存在的限制。纵掠平壁纵掠平壁横掠单管柱横掠单管柱横掠管束横掠管束自学自学5-7 5-7 自然自然对流流传热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v大大空空间的的自自然然对流流传热：边境境层的的构构成成和和开开展展不不受受周周围物物体体的的干干扰主主要要引引见v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、构成的主要缘由、构成的主要缘由 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的根本缘由。由。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、不不用用风扇扇强迫迫冷冷却却的的电器元件的散器元件的散热2 2、边境层的构成与开展、边境层的构成与开展 设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热因因此此密密度度降降低低( (与与远远处处未未受受影影响响的的流流体体相相比比) )，向向上上运运动动并并在在板板外外表表构构成成一一个个很很薄薄的的边边境境层层。假假设设竖竖板板足足够够高高，到到一一定定位位置置也也会会从从层层流流开开展展成成为为湍湍流流边边境境层层。自自然然对对流流湍湍流流时时的的换换热热当当然然也也明明显强于层流。显强于层流。1 1温度：与纵掠平板类似温度：与纵掠平板类似2 2速度：中间大，两边小速度：中间大，两边小3部分部分对流流换热系数：系数： 传热系系数数开开场时因因边境境层增增厚厚逐逐渐减减小小，后后又又由由于于层流流边境境层向向湍湍流流边境境层过渡渡，边境境层内内流流体体的的掺混混作作用用使使边境境层热阻阻减减小小，hx，转变为湍湍流流边境境层后后，边境境层充分开展，充分开展，hx根本不根本不变。v竖壁、竖圆柱：GrPr109 v横圆柱：GrPr1.5108 v程度板热面朝上：GrPr5106 4判判别别层层流流与与湍湍流流不不同同外外形形的换热面规范不同：的换热面规范不同：vGrGr称称为为格格拉拉晓晓夫夫数数，在在物物理理上上，GrGr数数是是浮浮升升力力/ /粘滞力比值的一种量度。粘滞力比值的一种量度。 vGrGr数的增大阐明浮升力作用的相对增大。数的增大阐明浮升力作用的相对增大。v自然对流换热准那么方程式为自然对流换热准那么方程式为工程中广泛运用的是下面的关联式：工程中广泛运用的是下面的关联式：对于符合理想气体性质的气体，对于符合理想气体性质的气体， 。 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：定性温度采用膜平均温度式中：定性温度采用膜平均温度1、恒壁温特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。横圆柱取外径。 常数常数C C和和n n的值见下表。的值见下表。 注注：竖竖圆圆柱柱按按下下表表与与竖竖壁壁用用同同一一个个关关联联式式只只限限于于以以下下情情况：况：壁面外形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程度圆柱圆柱外径d0.850.480.1250.1881/41/3程度热壁上面或程度冷壁下面平壁面积与周长之比A/U圆盘取0.9d0.540.151/41/3程度热壁下面或程度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求求求求确确确确定定定定部部部部分分分分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，引引引引进进一个修正的部分格拉一个修正的部分格拉一个修正的部分格拉一个修正的部分格拉晓晓夫数夫数夫数夫数 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tw,xtw,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 1 1对对流流流流换热换热的影响要素；的影响要素；的影响要素；的影响要素； 2对流换热的数学模型； 3 3边边境境境境层层概念及其特征，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方式解的方式解的方式解的方式特征数关特征数关特征数关特征数关联联式；式；式；式； 5 5NuNu、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类类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处处理理理理对对流流流流换换热热问问题题的的的的指指指指点点点点意意意意义义； 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要素；的特点及其影响要素；的特点及其影响要素；的特点及其影响要素； 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