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1、5-5 管内强迫对流传热的实验关联式,一、综述,管内单相流体强迫对流传热的热流量,1、流态及判断,用雷诺数Re判别层 流：Re104,5-5 管内强迫对流传热的实验关联式,一、综述,由牛顿冷却公式，管内单相流体强迫对流传热的热流量,2、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。,3、换热特征 热边界层同样存在进口段与充分发展段，流动进口段与热
2、进口段的长度不一定相等，这取决于Pr：当Pr1时，流动进口段比热进口段短当Prl时，流动进口段比热进口段长热进口段长度L（L/d10-45）常壁温条件下：L/d0.05RePr常热流条件下：L/d0.07RePr,3、换热特征 在Pr1情况下，当流动达到充分发展时，换热也进入热充分发展段，无因次温度分布达到定型，表面传热系数保持不变。在进口处，边界层最薄，hx具有最高值，随后降低。在层流情况下，hx趋于不变值的距离较长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，hx将有一些回升，并迅速趋于不变值。,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:,二、管内湍流强迫对流传热 定性温度采用流
3、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：,温差范围：油10，水20，气体50长、直管,否则，需要修正：ct温度修正系数 cl短管管长修正系数 cR弯管修正系数。,（1）温度的影响ct,液体：主要是粘性随温度而变化,气体：除了粘性，还有密度和热导率等,1、影响对流换热的几个因素,当流体温度tf和壁面温度tw相差较大时，温度场影响速度场，从而影响对流传热系数。主要影响流体的粘度，同时管道的安放位置及热流密度的方向不同，速度分布也不同。,下列温差范围需要修正气体：tw-tf 50 水：tw-tf 20油类：tw-tf 10,液体
4、被加热液体被冷却气体被加热气体被冷却,（2）入口效应影响cl,流体进入管道后，从入口处开始，沿流动方向边界层逐渐增厚，并由层流边界层转变为湍流边界层，最后边界层在管道中心处汇合，边界层厚度等于管半径，而进入充分发展段。hx的变化：入口段的hx比充分发展段的hx大,对于L/d 50短管，应进行修正：修正系数见图6-3采用公式,（3）弯管效应,离心力,二次环流,换热增强,修正系数：,气体：,液体：,2、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。,3、其它形式的关联式,希德
5、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,4、强化传热措施,d，h，h，但要考虑经济性 弯管（螺旋管）、短管选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）加强扰动,三、管内层流强迫对流传热,从入口开始，边界层沿程不断加厚，边界层的流速较小。为了保证流量不变，边界层外流速增加，边界层急需增厚，最后在管中心线汇合，整个管子被层流边界层占据。入口段：充分发展段：,hx的变化：入口段的hx比充分发展段的hx大,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。可采用下列齐德泰特公式：,适用条件：,四、管内过渡区强迫对流传热,五、计算步骤,确定特征温度(有时需假设)，查物性参数计算Re，判
6、别流动形态（若不能求得Re数，先假设流态计算，再校核）根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修正，未知的先假设为1，再校核）求Nu和h利用能量守恒定律，求其它物性参数校核,说明：,求管长:求出换热系数后，由能量守恒公式,如何从质量流量求速度,例题5-1：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hd-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
7、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。,解：由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为,从附录7中水的物性表中可查得,f=0.635W/m.K，vf=0.65910-6m2/s，Pr=4.31,管内雷诺数为,管内流动为旺盛紊流。,计算壁面温度,核对温差,不在范围内，需要修正温差，重新计算Nu，h,计算壁面温度,5-6 外部流动强制对流传热的计算关联式,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，不会受到邻近壁面存在的限制。,纵掠平壁横掠单管（柱）横掠管束,（自学）,5-7 自然对流传热,自然对流传热流体在浮升力作用下的对流换热大空
8、间的自然对流传热：边界层的形成和发展不受周围物体的干扰（主要介绍）有限空间自然对流传热：受干扰,一、大空间的自然对流传热,1、形成的主要原因,静止流体与壁面间温度差是流体产生对流和换热的根本原因。温度差密度差浮升力(沉降力)流体沿壁面向上(下)流动 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、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。（1）温度：与纵掠平板类似（2）速度：中间大，两边小
9、,（3）局部对流换热系数：传热系数开始时因边界层增厚逐渐减小，后又由于层流边界层向湍流边界层过渡，边界层内流体的掺混作用使边界层热阻减小，hx，转变为湍流边界层后，边界层充分发展，hx基本不变。,竖壁、竖圆柱：GrPr109 横圆柱：GrPr1.5108 水平板热面朝上：GrPr5106,（4）判别层流与湍流（不同形状的换热面标准不同）：,Gr称为格拉晓夫数，在物理上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。Gr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,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，。,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
10、度,1、恒壁温,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：竖圆柱按下表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：,2、恒热流密度(电子、电气元件自然对流),壁面热流密度给定，但壁面温度未知，并且沿壁面分布不均匀，往往需要确定局部壁面温度。对于垂直壁面，引进一个修正的局部格拉晓夫数,层流：,湍流：,小 结,（1）对流换热的影响因素；,（2）对流换热的数学模型；,（3）边界层概念及其特征，对求解对流换热问题的意义；,（4）对流换热问题解的形式特征数关联式；,（5）Nu、Re、Pr、Gr表达式及其物理意义；,（6）相似原理主要内容及其对解决对流换热问题的指导意义；,（7）单相流体管内强迫对流、外掠壁面、自然对流换热的特点及其影响因素；,（8）会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。,本章作业,5-1，5-5，5-8，5-10，5-16，5-21，5-22,
