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1、1,单相对流换热,第 9 章,9.1 对流换热的物理机制,9.2 边界层理论简介,9.3 沿平壁的对流换热计算,9.4 绕流圆柱体的对流换热计算,9.5 管内对流换热计算,9.6 自然对流换热计算,9.7 对流换热的强化,2,9.1 对流换热的物理机制,对流换热的物理机制比导热复杂很多，原因是对流换热中热对流和热传导两种换热方式同时发生，流体的速度和方向等很多项物性参数都对换热的强弱具有重要影响。对流换热的强弱用表面传热系数来表示 表面传热系数的物理实质。,紧贴壁面的流体是静止不动的，这被称为无滑移条件。于是热量传递在通过这一层“静止”的流体时只能依靠导热机理,3,特定x 位置的局部表面传热系
2、数沿程变化，当对流换热温差恒定时，表面上的平均表面传热系数与局部值之间具有,影响对流换热的主要因素 为(1)流动状态和流动的起因层流、湍流和过渡流 雷诺数，Re u L/，临界雷诺数,4,(2)流体的热物理性质密度和比热容 导热系数 粘度 流体的物性全部都是温度的函数 定性温度，或称 参考温度 边界层的平均温度 tm=(tw+tf)/2，也称为 边界层膜温度 对流换热计算中存在一项特别的无量纲物性特征数，称为普朗特数，Pr/a。它表示流体扩散动量的能力与扩散热量能力的相对大小。,(3)换热表面的几何参数特征尺寸，习惯上也称为定型尺寸(4)表面的热边界条件层流状态对边界条件的变化比较敏感，而湍流
3、时不甚敏感。两种最典型的热边界条件是恒壁温和恒热流,5,9.2 边界层理论简介,均匀速度u 的流体从平板上方流过，壁面上的流体静止 速度边界层，也称为流动边界层 速度边界层外缘达到主流速度的 99,6,把整个流场划分成两个区域：紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似被视为无粘性的理想流体。层流边界层 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的缓冲层以及湍流核心三部分组成。,7,当流体与壁面之间存在
4、温差时，温度的变化也主要发生在紧贴壁 面的一个薄层内，其中的温度梯 度非常大：热边界层。在壁面上，有ty=0=tw 流体过余温度比(twt)/(twtf)=0.99 所对应的离壁距离为热边界层厚度，记作t。,根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域：温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热边界层以外的近似等温流动区。结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传递规律就够了。边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。支配方程组得到了很大简化。,8,Ludwig Prandtl（18751953）,9,Osborne Reynolds(18421912),Wilhe
5、lm Nusselt（1882 1957）,10,9.3 沿平壁的对流换热计算,定义以下的无量纲参数代入式(9-2)，得到局部努塞尔数Nux,流体在壁面上的无量纲温度梯度。,11,在恒壁温条件下，层流和湍流的局部努塞尔数分别等于,Rex 5105，0.6Pr15,5105 Rex 107，0.6 Pr 60,特别注意平均Nu与局部Nux 之间的关系！遵守关联式适用范围规定：自变量，定性温度，特征 尺寸，适用何种边界条件等,0.6 Pr 60,0.6 Pr 60,12,实际上，前面先是层流，达到临界雷诺数以后才转变成湍流：分段积分,5105 Re 108,恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞
6、尔数计算关联式,13,湍流恒热流条件下，局部努塞尔数只比恒壁温时 大约高4 结论：层流对边界条件的变化比较敏感，湍流状态对边界条件不甚敏感。管内对流换热也同样。,14,9.4 绕流圆柱体的对流换热计算,流体绕流圆柱体时的流场,绕流圆柱体尾部流场的可视化,15,计算管表面平均表面传热系数的邱吉尔伯恩斯坦关联式 只要求：Red Pr 0.2,茹卡乌斯卡斯（A.Zhukauskas）计算式除壁面普朗特数Prw以外，其它所有物性按主流温度取值。各项常数值见表91。,16,管束传热计算(1)排列方式和管间距 顺排 和 叉排(2)前排尾流对后排有影响 排数修正,17,2 000 Red,max 40 00
7、0,Pr=0.7,排数 n 10,针对气体的格雷米森（E.D.Grimison）计算关联式常数C、m 的值见表9-2。排修正系数n，其值见表9 3。,18,9.5 管内对流换热计算,管内速度分布：截面速度分布，速度剖面，流动入口段，充分发展段 管内流动状态：,9.5.1 管内流动和换热的基本概念,19,管流的临界雷诺数，记作Rec。层流的速度剖面是一个二次抛物线，而湍流速度剖面一般可以近似表示为1/7次幂抛物线 层流和湍流流动入口段长度,管截面平均温度,称为整体温度 或 杯混温度,20,管内的热边界层 温度剖面 最终定型的温度分布（温度剖面）与壁面上的加热或冷却条件（热边界条件）有关,热入口段
8、 与 换热充分发展段因管壁换热引起的热边界层会从壁面逐步发展，直到在管中心线汇聚，这一段距离称为 热入口段 无量纲过余温度比(ttw)/(tmtw)不再变化，这就是 换热充分发展段。不论壁面具有何种热边界条件，在换热充分发展段局部表面传热系数都将保持常数。,21,层流时，热入口段长度可以通过分析解直接得到湍流时热入口段长度与Pr 无关，且换热入口段长度与流动入口段基本相同。,管内对流换热和阻力计算的基本关系式=qm c(tfo tfi)=hA tm,22,9.5.2 管内对流换热的计算关联式,层流圆管管内充分发展段的换热关联式 Nuf=4.36，qw=常数 Nuf=3.66，tw=常数速度充分
9、发展的恒壁温层流换热入口段：爱德华兹（Edwards.D K）计算式,同时包含入口段和部分充分发展段的恒壁温管内层流换热：西德泰特（Sieder-Tate）公式 0.48 Pr 16 700,0.004 4(f/w)9.75，且,23,湍流的迪图斯-波尔特（Dittus-Boelter）公式,0.7Prf 160,Ref 104 湍流西德-泰特（Sieder&Tate）关联式适用于更大物性变化范围 0.7Prf 16 700,Ref 104,贝图霍夫（B.S.Petukhov）关联式 还可用于计算粗糙管的换热 0.5 Pr 2 000,104 Ref 5106,24,物性修正和弯管修正非圆截面
10、管道，如椭圆管、环形夹层和不同长宽比的矩形截面管道：当量直径 层流时当量直径的概念不能统一全部关联式,对雷诺数介于2 300 10 000之间的过渡流，推荐采用格尼林斯基（V.Gnielinski）针对光滑管的计算式1.5 Prf 500,3 000 Ref 106,0.05（Prf/Prw）20,25,9.6 自然对流换热计算9.6.1 大空间的自然对流换热,自然界和工程技术中存在的自然对流现象无限大空间的自然对流换热 有限空间的自然对流换热 自然对流与强迫流动的基本区别是：浮升力驱动流体运动。速度分布由包含有体积力项的动量微分方程和连续性方程描述。,9.6 自然对流换热计算,大空间的自然对
11、流换热,26,边界层内的速度分布呈单峰形状，温度分布仍与强迫流动时近似Nu=f(Gr,Pr)=C(Gr Pr)n Gr（Grashof number）称 格拉晓夫数,Gr*称为修正格拉晓夫数 虽避免了Gr*中直接出现 tw，变成由边界条件给定的热流密度。但为了确定物性，仍需要假设壁温并做一次迭代,27,针对倾斜冷板的上表面或者热板的下表面，倾角 在60以内，只要用g cos 代替Gr 数中的g，可以沿用竖平壁时的关联式。恒壁温水平板，热板上表面或冷板下表面 Nu=0.54Ra1/4,104 Ra 107 Nu=0.15Ra1/3,107 Ra 1011热板下表面或冷板上表面 Nu=0.27Ra
12、1/4,105 Ra 1010 Ra GrPr，称瑞利数（Reyleigh number）,28,9.6.2 有限空间的自然对流换热,综述矩形封闭腔e：流体的当量导热系数，Nu=e/教材中图9-12给出了竖立夹层、水平夹层和倾斜夹层中的自然对流换热特征,9.6.2 有限空间的自然对流换热,有限空间自然对流,29,附图.有限空间自然对流&贝纳德蜂窝,气体在封闭腔中的自然对流关联式一般具有如下形式（见教材表9-6）：,贝纳德蜂窝,30,9.7 对流换热的强化,强化传热指运用各种技术手段设法提高传热设备单位换热面积的传热量。为什么要强化传热？9.7.1 传热强化的原理 1.主导热阻原理 2.场协同原
13、理,研究证明，影响单相流体对流换热强弱的无量纲变量除了我们已经熟知的Re 和 Pr 以外，还包括速度矢量与温度梯度矢量夹角的余弦 通过尽量减小热边界层范围内上述两个矢量的夹角也能够强化单相流体的对流换热以管内层流为例,31,对流强化传热的基本途径,分为主动技术和被动技术两种类型 单相流体的对流强化(1)改变流体的流动状态或边界层状态。如提高湍流度、加大旋转、引发二次流、破坏边界层尤其是稳定的层流边界层或湍流的粘性底层等,(2)改变换热表面的几何形状 表面粗糙化；改变特征尺寸；外表面肋化等,32,汽车的散热水箱扁管翅片,33,(3)改变流体的物性 在气态介质中添加固体颗粒；在液体中加入气体；通过喷水可以使空气的表面传热系数显著提高；在单相流体中加入微胶囊化的固液相变颗粒构成所谓潜热型功能热流体。(4)外力强化方法，包括机械搅拌、机械振动、超声波以及外加静电场等措施。复合强化技术 的正确运用。,下一章,
