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1、第六章 单相流体对流传热特征数关联式6-1 管内强迫对流传热,一基本概念1、流动边界层的形成与发展 流体进入管口后，开始形成边界层，并随流向逐渐增厚。在稳态下，管中心流速将随边界层的增厚而增加，经过一段距离，管壁两侧的边界层将在管中心汇合，厚度等于管半径，同时管断面流速分布和流动状态达到定型，这一段距离通称流动进口段。之后，流态定型，流动达到充分发展，称为流动充分发展段。其中层流区：Re10 4,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:,2、换热特征,3特征速度及定性温度的确定 特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流
2、体的平均温度（或进出口截面平均温度）。,4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：,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：,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。,使用范围：此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。,在有换热条件下，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。,在换热条件下，由于管中心和靠近管壁的流体温度不同，因而管
3、中心和管壁处的流体物性也会存在差异。特别是粘度的不同将导致有温差时的速度场与等温流动时有差别。,温差修正,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。,因此，在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项Ct。对于液体乘以，液体加热n=0.11,液体冷却n=0.25(物性量的下标表示在什么温度下取值)；气体,对于温差超过以上推荐幅度的情形，可采用下列任何一式计算。,（1）温度修正公式,对气体被加热时，,当气体被冷却时，,对液体,液体受热时
4、,液体被冷却时,（2）管长修正当管子的长径比l/d50时，属于短管内流动换热，进口段的影响不能忽视。此时亦应在按照长管计算出结果的基础上乘以相应的修正系数，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：,对于气体,对于液体,弯曲管道流动情况示意图,（3）弯曲修正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。螺线管强化了换热。对此有螺线管修正系数：,（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：,（3）采用米海耶夫公式：,定性温度为流体平均
5、温度，管内径为特征长度。,实验验证范围为：,（4）采用格尼林斯基公式：,对液体,对气体,l为管长;f为管内湍流流动的达尔西阻力系数：,范围为：,公式（4）用于气体或液体时，表达式可进一步简化如下：,对气体,范围为：,对液体,范围为：,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。,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,特征长度为内径，定性
6、温度为流体平均温度。,均匀热流边界实验验证范围：,均匀壁温边界,实验验证范围：,例题、在流体的物性和流道截面的周长相同的条件下,圆管和椭圆管内单相流体的受迫紊流换热,何者换热系数大?为什么?,答：椭圆管的换热系数大。因为 h d-0.2，椭圆管的 de 圆管的d。对于周长相同的圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而 de=4f/U，则 de(椭圆)d(圆)。,例题5-2 在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流过内径为10mm、长度为3m的铜管，冷却水的进、出口温度分别为15和65，试计算管内的表面传热系数。(忽略Ct，直管)解：,从附录7中水的物性表中可查得,f=0.635W/m.k,vf=
7、0.659x10-6m2/s,Pr=4.31,管内雷诺数为,管内流动为紊流。,由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。Cl=1,冷却水的平均温度为,从附录7中水的物性表中可查得,三.管内层流换热关联式,续表,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。可采用下列赛德尔塔特公式：,定性温度为流体平均温度（按壁温 确定），管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。,实验验证范围为：,Re2200,如果 用豪森计算式计算平均对流传热系数h,补充：,求管长:求出换热系数后，利用公式,如何从质量流量求速度,6-2 外掠物体时的强迫对流传热,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
8、，不会受到邻近壁面存在的限制。,一、纵掠平板1、当雷诺数时，流动边界层为层流流动，其换热计算的准则关系式如下：,局部换热系数计算式,平均换热系数计算式,适用范围：0.6Prm50,tm=1/2(tw+t),2、当雷诺数时，流动边界层流动变为紊流流动，如果将整个平板都视为紊流状态，其换热计算的准则关系式如下：,局部换热系数计算式,平均换热系数计算式,适用范围：0.6Prm60,tm=1/2(tw+t),一、纵掠平板,实际上流体流过平板时都是逐步从层流过渡到紊流的，因而计算整个平板的换热时，必须将前面一段按照层流计算，而后面一段按照紊流计算。于是综合计算关系式应为，,式中：Recm为临界雷诺数,简
9、化为,适用范围：0.6Prm50,tm=1/2(tw+t),例题：沿平壁的层流与湍流对流换热，计算宽度为1m的平壁表面保持tw=160，平壁上方tf=20，的空气以60m/s的速度掠过，（1）求层流段的平均表面传热系数；（2）若平壁全长l=2.4m，求平均表面传热系数和总传热量,1、流动边界层的形成与发展 Re10 蠕动流 Re1.410 5层流 脱体现象 尾迹流 Re 1.4105 层流 紊流 脱体现象 尾迹流,二、横掠单管时的强迫对流传热,脱体现象：流体的压强在管的前半部递降，而后又趋回升。与压强的变化相应，主流速度则先逐渐增加，面后又逐渐降低。特别要注意的是在压强增大的区域内，流体需靠本
10、身的动能来克服压强的增长才能向前流动，而靠近壁面的流体由于粘滞力的影响速度比较低，相应的动能也较小，其结果是从壁面的某一位置开始速度梯度达到 0 壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。以致从 0 点开始壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动，该点称为绕流脱体的起点(或称分离点)。,2、换热特征边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。,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。,可采用以下分段幂次关联式：,式中：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：，。,C及n的值见表5-5；,对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道
11、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。,例题：温度为27的空气以2.0m/s的速度垂直掠过直径为50mm的圆管，管壁温度保持为tw=73，求平均表面传热系数。,tw=73,2.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。,(1)叉排管束(2)顺排管束 流体绕流管束时的流动特征及几何尺寸示意图,气体横掠20排以上管束的实验关联式为,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
12、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。,C和m，n，k，p的值见表6-3。,式中：定性温度为,特征长度为管外径d；,Re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：,例题：叉排管束S1=S2=19mm，平均温度为20的空气掠过外径d=6.33mm，壁面温度tw=90 的8排管束，管束的横向上有25根管，空气进入管束前的迎面风速为4.5m/s，求单位长度换热量。解：55 时，,作业：164-165页习题6-6,6-7,6-9,6-20,6-22,作业：164-165页习题6-6,6-7,6-9,6-20,6-22,6-3
13、自然对流换热及实验关联式,1 自然对流产生的原因自然对流：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。例如：暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热,2 自然对流换热的分类 自然对流换热问题常常按流体所处空间的特点分成两大类：如果流体处于相对很大的空间，边界层的发展不受限制和干扰，称为无限空间的自然对流换热；若流体空间相对狭小，边界层无法自由展开，则称为有限空间的自然对流换热。,一、无限空间自然对流换热 流动及换热特征(以竖壁为例)1、流动边界层的形成与发展设板温高于流体的温度。板附近的流体被加热因而密度降低(与远
14、处未受影响的流体相比)，向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层。如果竖板足够高，到一定位置也会从层流发展成为湍流边界层。自然对流湍流时的换热当然也明显强于层流。,自然对流边界层中的速度分布与强迫流动时有原则的区别。壁面上粘滞力造成的无滑移条件依然存在。同时自然对流的主流是静止的，因此在边界层的某个位置，必定存在个速度的局部极值。就是说，自然对流边界层内速度剖面呈单峰形状。温度分布曲线与强迫流动时相似，呈单调变化。,具有以下流态：层流：GrPr 10 10；（GrPr）c 一般取 109。,2、换热特征 在层流边界层随着厚度的增加，局部换热系数将逐渐降低，当边界层内层流向紊流转变队局部换热系数
15、hx 趋于增大。研究表明，在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时，hx 将保持不久而与壁的高度无关。,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。,波尔豪森分析解与施密特贝克曼实测结果,竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比,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,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,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
16、得,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,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）,工程中广泛使用的是下面的关联式：对于符合理想气体性质的气体，。,1.大空间自然对流换热的实验关联式,式中：定性温度采用,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。,注：竖圆柱
17、按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：,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。,这里流动比较复杂，不能套用层流及湍流的分类。,2.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,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 对于水平夹层，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，
18、纵横比 对换热有一定影响。,一般关联式为,对于竖空气夹层，推荐以下实验关联式：,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。,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。,对竖空气夹层，的实验验证范围,3.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,时，自然对流的影响不能忽略；,一般认为，,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。,而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以忽略不计。,上图为流动分区图。其中 数根据管内径及 计算。定性温度为,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：,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。,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。,
