第六章 單相流體對流換熱

1、1 第六章第六章 單相流體對流換熱單相流體對流換熱 第一節(jié)第一節(jié) 管內(nèi)強(qiáng)迫流動對流換熱管內(nèi)強(qiáng)迫流動對流換熱 第三節(jié)第三節(jié) 自然對流換熱自然對流換熱 第二節(jié)第二節(jié) 外掠圓管對流換熱外掠圓管對流換熱 2 第一節(jié)第一節(jié) 管內(nèi)強(qiáng)迫流動對流換熱管內(nèi)強(qiáng)迫流動對流換熱 一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征 1. 進(jìn)口段和充分發(fā)展段的特點(diǎn)（流動和熱）進(jìn)口段和充分發(fā)展段的特點(diǎn)（流動和熱） (流態(tài)流速定型）流態(tài)流速定型） 流動充分：流動充分： x 方向方向u 不變，不變，v=0 熱充分熱充分 (定定tw或或q)：無量綱溫度隨管長不變（：無量綱溫度隨管長不變（tw-t)/(tw-tf

2、),即即 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)。 3 2.流動充分發(fā)展段流動充分發(fā)展段層流和湍流的判斷層流和湍流的判斷 層流：層流： 過渡區(qū)：過渡區(qū)： 旺盛湍流：旺盛湍流： Re2300 2300Re10000 10000Re 4 3. 3. 熱入口段和充分發(fā)展段的判斷（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化熱入口段和充分發(fā)展段的判斷（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化） （定壁溫）充分發(fā)展段為層流或湍流的熱入口段長度（定壁溫）充分發(fā)展段為層流或湍流的熱入口段長度: /0.05 Re Prld /60ld 層流層流湍流湍流 5 4. 4. 熱入口段和流動入口段的關(guān)系熱入口段和流動入口段的關(guān)系 Pr=1 流動入口段流動入口段=熱

3、入口段熱入口段 Pr1 流動入口段流動入口段熱入口段熱入口段 Pr熱入口段熱入口段 層流層流湍流湍流 6 5. 5. 熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。 7 6. 6. 牛頓冷卻公式中的平均溫差牛頓冷卻公式中的平均溫差 對對恒熱流恒熱流條件，可取條件，可取 作作 為為 。 對于對于恒壁溫恒壁溫條件，截面上的局部溫差是條件，截面上的局部溫差是 個變值，應(yīng)利用熱平衡式：個變值，應(yīng)利用熱平衡式： () wf tt m t () mmmpff h A tq c tt 式中，式中， 為質(zhì)量流量；為質(zhì)量流量； 分別為出口、進(jìn)口截面上分別為出口、進(jìn)口截面上 的平均溫度；的

4、平均溫度； 按對數(shù)平均溫差計(jì)算：按對數(shù)平均溫差計(jì)算： m q 、 ff tt m t ln ff m wf wf tt t tt tt 8 7. 特征速度及定性溫度的確定特征速度及定性溫度的確定 特征速度特征速度一般多取截面平均流速。一般多取截面平均流速。 定性溫度定性溫度多為截面上流體的平均溫度多為截面上流體的平均溫度 （或進(jìn)出口截面平均溫度）（或進(jìn)出口截面平均溫度）。 9 二二. . 管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式：（展開思實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式：（展開思 考）考） 加熱流體時加熱流體時 ， 冷卻流體時冷卻流體時 。 式中式中:

5、 : 定性溫度采用流體平均溫度定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長度為，特征長度為 管內(nèi)徑。管內(nèi)徑。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。 0.8 0.023 RePrn fff Nu 0.4n 0.3n f t 45 Re10 1.2 10, f Pr0.7 120, f 。/60ld (氣體氣體:t=|tw-tf|50 ;水水:t20 30; 油類油類:t10) 10 實(shí)際上來說，液體與管壁間溫差大，粘度有明顯實(shí)際上來說，液體與管壁間溫差大，粘度有明顯 變化變化 一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù) 來考慮不

6、均勻物性場對換熱的影響。來考慮不均勻物性場對換熱的影響。 或（(/)Pr / Pr ) nn fwfw 11 大溫差情形，可采用下列任何一式計(jì)算。大溫差情形，可采用下列任何一式計(jì)算。 （1 1）迪貝斯貝爾特修正公式）迪貝斯貝爾特修正公式 對氣體被加熱時，對氣體被加熱時， 當(dāng)氣體被冷卻時，當(dāng)氣體被冷卻時， 對液體對液體 0.8 0.023 RePrn ffft Nuc 0.5 f t w T c T 。1 t c m f t w c 0.11 m0.25 m 液體受熱時液體受熱時 液體被冷卻時液體被冷卻時 12 （2 2）采用齊德泰特公式：）采用齊德泰特公式： 定性溫度為流體平均溫度定性溫度為流

7、體平均溫度 （ 按壁溫按壁溫 確確 定），管內(nèi)徑為特征長度。定），管內(nèi)徑為特征長度。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為： 0.14 0.81 / 3 0.027 RePr f fff w Nu f t ，/60l d Pr0.7 16700, f 。 4 Re10 f w t w 13 （3 3）采用米海耶夫公式：）采用米海耶夫公式： 定性溫度為流體平均溫度定性溫度為流體平均溫度 ，管內(nèi)徑為特征長度。，管內(nèi)徑為特征長度。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為： 0.25 0.80.43 Pr 0.021 RePr Pr f fff w Nu f t ，/50l d Pr0.6 700, f 。 46

8、Re10 1.7510 f 14 上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。 （1 1）非圓形截面槽道）非圓形截面槽道 用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。 式中：式中： 為槽道的流動截面積；為槽道的流動截面積；P P 為濕周長。為濕周長。 （2 2）入口段）入口段 入口段的傳熱系數(shù)較高。對于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖入口段的傳熱系數(shù)較高。對于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖 角入口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)：角入口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)： 4 c e A d P c A 0.7 1 l d c l 15 11.77 r d

9、c R 3 110.3 r d c R （3 3）彎管修正或螺線管）彎管修正或螺線管 當(dāng)流體流過彎曲或螺旋管道時，在彎曲當(dāng)流體流過彎曲或螺旋管道時，在彎曲 段，由于離心力的作用，沿截面產(chǎn)生二段，由于離心力的作用，沿截面產(chǎn)生二 次環(huán)流，增加邊界層擾動，使換熱增強(qiáng)。次環(huán)流，增加邊界層擾動，使換熱增強(qiáng)。 對于液體對于液體 對于氣體對于氣體 16 三、層流（、層流（ ）時的換熱）時的換熱 Pr數(shù)較大的油和水在壁溫恒定的管內(nèi)進(jìn)數(shù)較大的油和水在壁溫恒定的管內(nèi)進(jìn) 行層流換熱行層流換熱 Re 2300 f /. fff w d Nu.(RePr)() L 130 14 1 86 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍: :

10、 f f w . f ff w Pr.,. . d Re Pr L 1 014 3 0481670000044975 2 17 三、過渡區(qū)（三、過渡區(qū)（ 2300Re 10000）時的換熱）時的換熱 格尼林斯基提供的關(guān)聯(lián)式：格尼林斯基提供的關(guān)聯(lián)式： 對于氣體對于氣體 f ff w T .Pr. , . ,Re T 4 0615 0515 230010 . / f . fff w T d Nu.(Re)Pr LT 0 45 23 0 80 4 0 02141001 18 對于液體對于液體: : f ff w Pr .Pr, .,Re Pr 4 1 5500 0 0520 230010 . / f

11、 . fff w Pr d Nu.(Re)Pr LPr 0 11 2 3 0 870 4 0 0122801 【例例6-1】 【例例6-2】 【例6-3】 【例例6-4】 一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征 1. 進(jìn)口段和充分發(fā)展段的特點(diǎn)（流動和熱）進(jìn)口段和充分發(fā)展段的特點(diǎn)（流動和熱） 2 2. . 熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種 二、湍流、過渡流及層流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式二、湍流、過渡流及層流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式 20 【例例6-1】一臺管殼式蒸汽熱水器，】一臺管殼式蒸汽熱水器， 水在管內(nèi)流速為水在管內(nèi)流速為um=0.85m/s,全水管

12、的平均全水管的平均 溫度溫度tf=90,管壁溫度管壁溫度tw=115,管長管長1.5m,管內(nèi)管內(nèi) 徑徑d=17mm,試計(jì)算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。試計(jì)算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解題思路：如何選擇準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式？解題思路：如何選擇準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式？ 1、滿足適用條件（幾何參數(shù)和準(zhǔn)則數(shù)范圍）、滿足適用條件（幾何參數(shù)和準(zhǔn)則數(shù)范圍） 2 、確定定性溫度，從而確定準(zhǔn)則數(shù)、確定定性溫度，從而確定準(zhǔn)則數(shù) 21 22 解：由于出口水溫解：由于出口水溫 待求，管內(nèi)流體待求，管內(nèi)流體 的平均溫度不能確定，故先以進(jìn)口處水溫的平均溫度不能確定，故先以進(jìn)口處水溫 作為定性溫度進(jìn)行試算。作為定性溫度進(jìn)行試算。 f t f t20 由附錄查取

13、由附錄查取20時水的物性參數(shù)為：時水的物性參數(shù)為： ff f WmCms kg m 262 3 59.9 10/();1.006 10/ ; Pr7.02;998.2/; pf cJkg K4183/ 23 f f f u d 3 4 6 2.520 10 Re4.97 10 1.006 10 4 10 流動屬于紊流流動屬于紊流 f 0.7Pr120 t30 ， wf ttt402020 ， L d 3 3 /15060 20 10 24 水被加熱，取水被加熱，取m0.4 fff Nu 0.80.4 4 0.80.4 0.023RePr 0.023 (4.97 10 )(0.702)287 f

14、 f hNu d WmC 2 2 3 59.9 10 2878596/() 20 10 25 由管內(nèi)流體的能量平衡可得由管內(nèi)流體的能量平衡可得 wfmpfff hA ttq ctt()() wfffpfff h dL ttdu ctt 2 1 ()() 4 f f t t 3 32 20 859620 103 (40) 20 1 (20 10 )998.2 4183 (20) 4 26 f t28 此時可取流體的平均溫度此時可取流體的平均溫度 fff ttt 11 ()(2028)24 22 作為定性溫度重復(fù)以上計(jì)作為定性溫度重復(fù)以上計(jì)算步驟，得算步驟，得 ，因?yàn)閮纱斡?jì)算結(jié)果相差很小，因?yàn)閮纱?/p>

15、計(jì)算結(jié)果相差很小， 所以出口所以出口水溫水溫 。 f t28.2 f t28.2 27 【例例6-3】恒定壁溫恒定壁溫 的光管，的光管，內(nèi)內(nèi) 徑徑120mm，水以，水以2m/s的速度在管內(nèi)流過，水的速度在管內(nèi)流過，水 的進(jìn)口的進(jìn)口溫度溫度 =40，出口溫度，出口溫度 為為 滿足這一加熱過程，試確定該管長度。滿足這一加熱過程，試確定該管長度。 w tC90 f t f tC60 28 f f f u d 4 6 2 0.12 Re43.1655 10 0.556 10 屬于旺盛紊流屬于旺盛紊流 解：解：fff ttt 11 ()(4060)50 22 ff pff ff ww kgm skg m

16、 cJkgCms WmC tCkgm s 63 62 2 6 549.4 10/(),988.1/, 4174 /(),0.566 10/ , Pr3.54,64.8 10/(); 90314.9 10/() 以以查查 29 ffffw Nu 0.81/30.14 0.027RePr(/) 1 40.80.14 3 549.4 0.027 (43.1655 10 )(3.54)() 314.9 =1433.17 f f hNu d 2 0.648 10 1433.17 0.12 7739 WmC 2 /() 因?yàn)椋ㄒ驗(yàn)椋?）溫差較大）溫差較大 wf tt 30 單位時間內(nèi)水吸收的熱量為單位時間

17、內(nèi)水吸收的熱量為 mpfffffpfff q cttdu ctt 2 1 ()() 4 2 0.250.12988.1 2 4174 (6040) =1865802W 根據(jù)能量平衡關(guān)系根據(jù)能量平衡關(guān)系 wfwf hA tth Ld tt()() 31 wf L h d tt m () 1865802 16 77390.12 (9050) 故所需管長為故所需管長為16m。 32 【例例6-4】某廠燃?xì)饪諝饧訜崞鳎选磕硰S燃?xì)饪諝饧訜崞?，?知管內(nèi)徑知管內(nèi)徑d=0.051m，每根管內(nèi)空氣質(zhì)量，每根管內(nèi)空氣質(zhì)量 M=0.0417kg/s,管長管長2.6m,空氣進(jìn)口溫度空氣進(jìn)口溫度 tf=30,管壁溫

18、度保持管壁溫度保持tw=250，試計(jì)算該換，試計(jì)算該換 熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（討論）熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（討論） 33 第二節(jié)第二節(jié) 流體橫向繞流管束的換熱流體橫向繞流管束的換熱 一、流體橫向繞流單管（或柱）時的對一、流體橫向繞流單管（或柱）時的對 流換熱計(jì)算流換熱計(jì)算 二、流體橫向繞流管束的對流換熱計(jì)算二、流體橫向繞流管束的對流換熱計(jì)算 34 一、流體橫向繞流單管（或柱）流動時一、流體橫向繞流單管（或柱）流動時 的對流換熱計(jì)算的對流換熱計(jì)算 外部流動：外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能 自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。自由發(fā)展，不會受到鄰近壁

19、面存在的限制。 橫掠單管：橫掠單管：流流 體沿著垂直于體沿著垂直于 管子軸線的方管子軸線的方 向流過管子表向流過管子表 面。流動具有面。流動具有 邊界層特征，邊界層特征， 還會發(fā)生繞流還會發(fā)生繞流 脫體。脫體。 1 1 、 流動邊界層的形成與發(fā)展流動邊界層的形成與發(fā)展 流體的壓強(qiáng)大約在管的前半部遞降，即流體的壓強(qiáng)大約在管的前半部遞降，即dp/dx0,dp/dx0dp/dx0 邊界層內(nèi)流體的動能變化與壓強(qiáng)的變化相對應(yīng)；邊界層內(nèi)流體的動能變化與壓強(qiáng)的變化相對應(yīng)； 脫體繞流產(chǎn)生脫體繞流產(chǎn)生 脫體現(xiàn)象脫體現(xiàn)象：從壁面的某一位置開始速度梯度達(dá)到：從壁面的某一位置開始速度梯度達(dá)到0 0 （脫體點(diǎn)脫體點(diǎn)），

20、壁面流體停止向前流動，并隨即向），壁面流體停止向前流動，并隨即向 相反的方向流動。邊界層中出現(xiàn)渦流，從而正常相反的方向流動。邊界層中出現(xiàn)渦流，從而正常 的邊界層被破壞。的邊界層被破壞。 衡量脫體繞流的程度：速度衡量脫體繞流的程度：速度 衡量脫體繞流的準(zhǔn)則數(shù)：衡量脫體繞流的準(zhǔn)則數(shù)：ReRe 36 分離點(diǎn)（脫體繞流的起點(diǎn)）分離點(diǎn)（脫體繞流的起點(diǎn)）的位置：的位置： f W du dx 0 繞流邊界層在脫體分離前繞流邊界層在脫體分離前 已轉(zhuǎn)為湍流，分離點(diǎn)在已轉(zhuǎn)為湍流，分離點(diǎn)在 處。處。 Re Re1010時，不發(fā)生繞流脫體時，不發(fā)生繞流脫體 邊界層為層流，邊界層為層流， 繞流脫體點(diǎn)發(fā)生在繞流脫體點(diǎn)發(fā)生

21、在 . 5 101 5 10Re 8085 5 1.5 10Re 140 37 2、流體橫向繞流、流體橫向繞流 單管（或柱）時的換單管（或柱）時的換 熱特征熱特征 邊界層的成長和脫體決了邊界層的成長和脫體決了 外掠圓管換熱的特征。外掠圓管換熱的特征。 38 Re的值較小的值較小時，在時，在0處，邊界層最處，邊界層最 薄，局部努塞爾準(zhǔn)則薄，局部努塞爾準(zhǔn)則 的值逐步下降，在的值逐步下降，在 分離點(diǎn)處，分離點(diǎn)處， 的值為最小，之后由于的值為最小，之后由于渦流渦流 出現(xiàn)出現(xiàn)， 的值又趨于的值又趨于回升回升。 的的最小值大最小值大 約在約在 =80附近附近。 Nu Nu Nu Nu 39 Re的值較大時

22、，邊界層在分離點(diǎn)之前已過渡到紊的值較大時，邊界層在分離點(diǎn)之前已過渡到紊 流狀態(tài)。流狀態(tài)。 在在層流與紊流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)層流與紊流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)局部出現(xiàn)局部 的的第一次較第一次較 低值低值，而后隨著湍流邊界層的發(fā)展，局部，而后隨著湍流邊界層的發(fā)展，局部 的值迅速的值迅速 回升回升，當(dāng)，當(dāng)邊界層到達(dá)旺盛紊流時，邊界層到達(dá)旺盛紊流時， 的值為最大。的值為最大。 湍流穩(wěn)定后，由于湍流邊界層不斷增厚，局部湍流穩(wěn)定后，由于湍流邊界層不斷增厚，局部 又逐漸下降，在又逐漸下降，在140的分離點(diǎn)的分離點(diǎn)附近區(qū)域，局部附近區(qū)域，局部 的值又的值又再次回升再次回升。 Nu Nu Nu Nu Nu 層流向紊流轉(zhuǎn)變；紊流邊界層

23、與壁脫體繞流。層流向紊流轉(zhuǎn)變；紊流邊界層與壁脫體繞流。 40 式中：式中：C、n的值據(jù)的值據(jù)Rem值由表查取值由表查取 定性溫度：定性溫度： 特征尺寸：特征尺寸：管外徑管外徑 D 特征速度：特征速度：來流速度來流速度uf 適用范圍：適用范圍：tf=15.5982 tw=211046 3、流體橫向繞流單管（或柱）時的對、流體橫向繞流單管（或柱）時的對 流換熱計(jì)算公式流換熱計(jì)算公式 n mmm NuC Re Pr 1 3 mwf ttt 1 2 m .Re 5 0 44 10 41 RemCn 0.440.9890.330 4400.9110.385 4040000.6830.466 400040

24、0000.1930.618 400004000000.0270.805 上式中的上式中的C 和和n 的值的值 42 二、流體橫向繞流管束時的對流換二、流體橫向繞流管束時的對流換 熱計(jì)算熱計(jì)算 1 1、影響橫向繞流管束換熱的因素、影響橫向繞流管束換熱的因素 （1 1）管束排列方式的影響）管束排列方式的影響 （2 2）管與管相對節(jié)距的影響）管與管相對節(jié)距的影響 （3 3）流動方向管排數(shù)的影響）流動方向管排數(shù)的影響 43 （1）管束排列方式的影響）管束排列方式的影響 一般說來，在大多數(shù)情況下，叉排的一般說來，在大多數(shù)情況下，叉排的 平均換熱系數(shù)要比順排時大。平均換熱系數(shù)要比順排時大。 2 1 D D

25、 1 2 S 2 a 順排b 叉排 順排：順排： 優(yōu)點(diǎn)：阻力較小，清洗較方便；優(yōu)點(diǎn)：阻力較小，清洗較方便； 缺點(diǎn)：流體與管子之間的擾動較弱缺點(diǎn)：流體與管子之間的擾動較弱 叉排：叉排： 優(yōu)點(diǎn)：擾動較強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：擾動較強(qiáng) 缺點(diǎn)：阻力大，不好清洗缺點(diǎn)：阻力大，不好清洗 45 （2 2）管與管相對節(jié)距的影響）管與管相對節(jié)距的影響 maxf s uu sD 1 1 叉排時：叉排時： 當(dāng)當(dāng) sD 2 sD 1 2maxf s uu sD 1 2 2() 當(dāng)當(dāng) sD 2 sD 1 2 maxf s uu sD 1 1 順排時：順排時： 46 （3 3）流動方向管排數(shù)的影響）流動方向管排數(shù)的影響 對于排數(shù)少于對于

26、排數(shù)少于1010排的管束排的管束 管排修正系數(shù)管排修正系數(shù) n 總排總排 數(shù)數(shù) 12345678910 順排順排 叉排叉排 0.64 0.68 0.80 0.75 0.87 0.83 0.90 0.89 0.92 0.92 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 1.0 1.0 n hh 管排修正管排修正 47 2 2、流體橫向沖刷管束的對流換熱計(jì)算式、流體橫向沖刷管束的對流換熱計(jì)算式 f n mff w NuC Pr 1 4 0.36 Pr Re Pr 適用范圍：適用范圍： 定性溫度：定性溫度： ，其它均為，其它均為 定型尺寸：定型尺寸： 特征速度：特

27、征速度： 系數(shù)系數(shù)C C，n n見參考書見參考書p16p167 7：表：表6-26-2 f 0.7Pr500 f 36 10Re2 10 N 10 w t f t D max u w Pr 48 【例例6-3】哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的220t/h 高壓鍋爐空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：叉排高壓鍋爐空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：叉排 布置， 76mm， 44mm,管徑管徑401.5， 空氣橫向沖刷管束，在管排中心截面上的空氣橫向沖刷管束，在管排中心截面上的 流速流速 6.03m/s空氣的平均溫度空氣的平均溫度 133 ，管壁，管壁溫度溫度 ，流動方向總，流動方向總 排數(shù)排數(shù) 。求管束與空氣間的平

28、均換熱。求管束與空氣間的平均換熱 系數(shù)。系數(shù)。 1 s 2 s f u f t Ctw 200 44N 49 f t w tC200 解解：因?yàn)橐驗(yàn)?33133， 查表得：查表得： f WmC 2 3.38 10 f vms 62 26.74 10 ， f Pr0.696 ， w Pr0.686 。 50 又又 sD 2 58.144018.14 mm sD 1 11 764018 mm 22 因因 sD 2 sD 1 2 故最大流速為故最大流速為 s uu sD 21 maxf 1 76 6.0312.73 ms 7640 sss 22 22 221 24476 258.14 mm 51 u

29、D v 5max f6 f 12.73 0.04 Re19042.62 10 26.74 10 由于由于 ss 12 76 441.732 ， Css 1 5 12 0.350.39 n0.6 則則 52 1 4 0.60.360.696 0.3919042.60.696127 0.686 hNu D 2 f f 2 3.38 10 127 0.04 107.4 W/ mC 因?yàn)橐驗(yàn)镹4410 ,故不必考慮管排修正。故不必考慮管排修正。 hD Nu 1 4 0.60.36f fff fw Pr 0.39RePr Pr 返回返回 53 一、流體自然對流換熱邊界層的特點(diǎn)一、流體自然對流換熱邊界層的

30、特點(diǎn) 二、流體自然對流換熱準(zhǔn)則方程二、流體自然對流換熱準(zhǔn)則方程 三、大空間自然對流換熱計(jì)算三、大空間自然對流換熱計(jì)算 四四、有限空間自然對流換熱計(jì)算有限空間自然對流換熱計(jì)算 五五、自然對流與強(qiáng)制對流并存的混合對流自然對流與強(qiáng)制對流并存的混合對流 第三節(jié)第三節(jié) 流體自然對流換熱流體自然對流換熱 54 一、流體自然對流換熱邊界層的特點(diǎn)一、流體自然對流換熱邊界層的特點(diǎn) 1、 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因： 溫度差溫度差 密度差密度差 浮升力浮升力 自然對流自然對流 f fg 流體密度隨溫度線性變化流體密度隨溫度線性變化: : 1 f t fg t 浮升力浮升力 : : 1 p v vt 流體的流體的膨脹系數(shù)膨脹

31、系數(shù) 對于理想氣體對于理想氣體: : 1 T f ttt 無限空間的自然對流換熱：無限空間的自然對流換熱： 流動、換熱、邊界層可以充分發(fā)展流動、換熱、邊界層可以充分發(fā)展 如：冬天玻璃窗戶內(nèi)表面的換熱、建筑外墻的室內(nèi)壁面如：冬天玻璃窗戶內(nèi)表面的換熱、建筑外墻的室內(nèi)壁面 散熱等散熱等 有限空間的自然對流換熱：有限空間的自然對流換熱： 流動、換熱、邊界層的充分發(fā)展受壁與壁間相互影響流動、換熱、邊界層的充分發(fā)展受壁與壁間相互影響 如：雙層玻璃窗中的空氣層換熱、建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)中的封如：雙層玻璃窗中的空氣層換熱、建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)中的封 閉空氣間層換熱、平板式太陽能集熱器的空氣間層閉空氣間層換熱、平板式太陽能集熱

32、器的空氣間層 56 3、無限空間內(nèi)自然對流的溫度分布和速度分布、無限空間內(nèi)自然對流的溫度分布和速度分布 自然對流邊界層內(nèi)速度剖面呈單峰形狀；自然對流邊界層內(nèi)速度剖面呈單峰形狀； 溫度分布曲線與強(qiáng)迫流動時相似，呈單溫度分布曲線與強(qiáng)迫流動時相似，呈單 調(diào)變化。調(diào)變化。 57 在傳熱計(jì)算中，一般用在傳熱計(jì)算中，一般用 作為自然對流層流和紊流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)作為自然對流層流和紊流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。 9 Pr10Gr 4 4、自然對流換熱的邊界層自然對流換熱的邊界層分類分類:(:(瑞利準(zhǔn)則）瑞利準(zhǔn)則） 8 Pr10RaGr 810 10Pr10Gr 58 4、自然對流換熱特征、自然對流換熱特征 在層流邊界層隨著厚度的增

33、加，在層流邊界層隨著厚度的增加， 局部換熱系數(shù)將逐漸降低，局部換熱系數(shù)將逐漸降低， 當(dāng)邊界層內(nèi)層流向紊流轉(zhuǎn)變當(dāng)邊界層內(nèi)層流向紊流轉(zhuǎn)變 局部換熱系數(shù)局部換熱系數(shù) h hx x 趨于增大。趨于增大。 在常壁溫或常熱流邊界條件在常壁溫或常熱流邊界條件 下當(dāng)達(dá)到旺盛紊流時，下當(dāng)達(dá)到旺盛紊流時， h hx x將將 保持不變而與壁的高度無關(guān)保持不變而與壁的高度無關(guān) 自然對流強(qiáng)度主要取決于換熱溫差自然對流強(qiáng)度主要取決于換熱溫差t t 、 板高板高l 、容積膨脹系數(shù)、容積膨脹系數(shù) 和運(yùn)動粘度和運(yùn)動粘度 。 59 二、流體自然對流換熱的準(zhǔn)則方程二、流體自然對流換熱的準(zhǔn)則方程 ,Pr L hL Nuf Gr Gr

34、數(shù)在準(zhǔn)則方程式中的作用與受迫對數(shù)在準(zhǔn)則方程式中的作用與受迫對 流換熱準(zhǔn)則方程式中流換熱準(zhǔn)則方程式中Re的作用相似，物理的作用相似，物理 意義上，意義上，它反映了浮升力和粘性力之間的它反映了浮升力和粘性力之間的 關(guān)系關(guān)系。 60 三、大空間自然對流換熱計(jì)算三、大空間自然對流換熱計(jì)算 大空間自然對流換熱大空間自然對流換熱：指壁面形成的邊指壁面形成的邊 界層，不因空間限制而受到干擾時的換熱。界層，不因空間限制而受到干擾時的換熱。 當(dāng)當(dāng)壁溫恒定壁溫恒定時時： Pr n mmm Nuc Gr 定性溫度：定性溫度： 2 fw m tt t 系數(shù)系數(shù)c和指數(shù)和指數(shù)n的值以及定型尺寸、使用范圍等的值以及定型尺

35、寸、使用范圍等 列于下表中：列于下表中： （a） 61 1/4 1/3 1/4 0.54 0.15 0.27 熱面向上熱面向上 （或冷面向下）（或冷面向下） 熱面向下熱面向下 （或冷面向上）（或冷面向上） 水平水平 平板平板 高高L 高高L 直徑直徑D 直徑直徑D 1/4 1/3 1/4 1/3 0.59 0.10 0.53 0.13 豎平板豎平板和和豎圓柱（管）豎圓柱（管） 水平圓管（管）水平圓管（管） 定型尺寸定型尺寸 n c換熱面形狀和位置換熱面形狀和位置 U A L U A L U A L 105 107 75 1010 1010 1010 129 94 139 94 1010 101

36、0 1010 1010 mm Gr Pr 62 常熱流密度時用修正常熱流密度時用修正 用，即 q GrGr代代替替 34 22q gtL hLg qL GrGrNu 對于豎平板及豎圓柱體對于豎平板及豎圓柱體 層流層流 湍流湍流 1 3 0.75Pr q NuGr 1 4 0.17Pr q NuGr 適用范圍適用范圍 ： 115 10Pr10 q Gr 適用范圍適用范圍 ： 1613 10Pr102 q Gr （b） （c） q已知，已知，tw未知未知 63 注：注：豎圓柱按上表與豎壁用同一個關(guān)聯(lián)式只限于以下豎圓柱按上表與豎壁用同一個關(guān)聯(lián)式只限于以下 情況：情況： 1 / 4 35 H d HG

37、r 64 習(xí)慣上，對于習(xí)慣上，對于常熱流常熱流邊界條件下的自然對流，往往采邊界條件下的自然對流，往往采 用下面方便的專用形式：用下面方便的專用形式： 式中：定性溫度取平均溫度式中：定性溫度取平均溫度 ，特征長度對矩形取，特征長度對矩形取 短邊長。短邊長。 按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。 * (Pr) m NuB Gr m t 4 * 2 gql GrGrNu 65 這里流動比較復(fù)雜，不能套用層流及湍流的分類。這里流動比較復(fù)雜，不能套用層流及湍流的分類。 66 四四. . 有限空間自然對流換熱有限空間自然對流換熱 這里這里僅僅討論如圖所示的討論如圖所示的豎豎的和的和水平水平的兩種的兩種封閉夾封閉夾 層層的自然對流換熱，而且推薦的關(guān)聯(lián)式僅局限于的自然對流換熱，而且推薦的關(guān)聯(lián)式僅局限于 氣體夾層。氣體夾層。 封閉夾層示意圖 12 () ww tt 67 夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度 為特征長度的為特征長度的 數(shù)：數(shù)： 當(dāng)當(dāng) 極低極低時換熱依靠純時換熱依靠純導(dǎo)熱導(dǎo)熱： 對于豎直夾層，當(dāng)對于豎直夾層，當(dāng) 對水平夾層，當(dāng)對