單相流體對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式

單相流體對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式第1頁/共36頁平均、層流:局部、層流：局部、湍流：復(fù)合邊界層：Rec=5×105定性溫度：tm=（t∞+tw）/2；特征流速：來流速度；特征尺寸：流體流動方向長度（局部/平均）。Ф=hA△t△t=|tw-t∞|第2頁/共36頁第六章單相對流傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式§6-1相似原理與量綱分析§6-2相似原理的應(yīng)用§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式§6-4外部強制對流傳熱§6-5大空間與有限空間內(nèi)自然對流傳熱§6-6射流沖擊傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式第3頁/共36頁內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式：判別條件；換熱特點（邊界層發(fā)展特點）；公式適用范圍；定性溫度，特征流速/尺寸；換熱條件。第4頁/共36頁一、管內(nèi)強制對流換熱流動和換熱的特征§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式1.管內(nèi)的流動狀態(tài)流動狀態(tài)判斷（Re）：層流過渡流湍流判別條件第5頁/共36頁2.流動和換熱的入口段及充分發(fā)展段§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式流動入口段流動充分發(fā)展段換熱入口段換熱充分發(fā)展段換熱入口段長度l的確定層流湍流換熱特點第6頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式3.局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx

的變化管內(nèi)對流傳熱系數(shù)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx的沿程變化（a）層流（b）湍流換熱特點第7頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式4.常見的兩種換熱條件管子表面的換熱條件有均勻熱流和均勻壁溫兩種典型的情況。(1)均勻熱流壁面和流體溫度隨管長的變化換熱條件外掠：Ф=hA△t△t=|tw-t∞|第8頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式(2)均勻壁溫壁面和流體溫度隨管長的變化當(dāng)(tw-tf〞)/(tw-tfˊ)在0.5~2之間時，可按算術(shù)平均溫差計算，結(jié)果的差別在4%以內(nèi)。此時：第9頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式二、管槽內(nèi)湍流換熱實驗關(guān)聯(lián)式1.迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）關(guān)聯(lián)式適用的參數(shù)范圍：氣體：Δt<50℃；水：Δt<30℃；油：Δt<10℃式中取流體平均溫度作為定性溫度；管子內(nèi)徑d為特征尺度；截面的平均流速作特征速度。第10頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式2.迪圖斯-貝爾特關(guān)聯(lián)式應(yīng)用范圍的擴展（1）溫差超過推薦的幅度值（變物性影響）曲線1:等溫流時速度分布曲線2:液體被冷卻或氣體被加熱時速度分布曲線3:液體被加熱或氣體被冷卻時速度分布132第11頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式對于液體：主要是粘性隨溫度變化。對于氣體：除了粘性，還有密度和導(dǎo)熱系數(shù)等。當(dāng)溫差超過推薦的幅度值后，流體熱物性將發(fā)生變化，從而對換熱產(chǎn)生影響。修正：被加熱被冷卻氣體：被加熱被冷卻液體：第12頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式（2）對于短管（考慮入口效應(yīng)）對于較短的管子及常見的尖角入口，推薦以下的修正系數(shù)：（3）非圓形截面通道式中：Ac

對為槽道的流動截面積，P為潤濕周長。第13頁/共36頁例1：試計算下列兩種情形的當(dāng)量直徑，其中打陰影線的部分表示流體流過的通道。（1）第14頁/共36頁（2）第15頁/共36頁（4）對于彎管的修正由于管道彎曲改變了流體的流動方向，離心力的作用會在流體內(nèi)產(chǎn)生如圖所示的二次環(huán)流，結(jié)果增加了擾動，使對流換熱得到強化。§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式氣體：液體：R為彎曲管的曲率半徑；第16頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式修正后的表達式：第17頁/共36頁例2：對圓管內(nèi)的強制對流換熱，實驗關(guān)聯(lián)式表示成的形式。試分析流體被加熱時，以下情況下對流傳熱系數(shù)h如何變化：（1）圓管內(nèi)流速增加一倍，其他條件不變；（2）管徑縮小一半、流速等其它條件不變；（3）管徑縮小一半、體積流量等其他條件不變。第18頁/共36頁可以看出：（1）速度u與密度ρ對h影響最大，均為0.8次方；（2）物性的影響，其中ρ、λ、cp的影響均為正，即ρ、λ、cp越大，對流傳熱系數(shù)越大。這也說明了為什么水的對流傳熱系數(shù)比空氣大。而粘度的影響是負的。（3）h與直徑的0.2次方成反比，因此，在條件允許時，盡量采用小直徑管來強化換熱。第19頁/共36頁3.其它的實驗關(guān)聯(lián)式§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式(1)齊德-泰特（Sieder-Tate）關(guān)聯(lián)式：評價：誤差大；近似適用于液體被加熱的情況。(2)格尼林斯基（Gnielinski)公式評價：較準確；該式也適用于過渡區(qū)。第20頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式三、管槽內(nèi)層流換熱實驗關(guān)聯(lián)式1.層流充分發(fā)展換熱的Nu數(shù)對于圓管：（tw=const）（qw=const）結(jié)果見表6-2、6-3、6-4第21頁/共36頁a.齊德—泰勒（Sieder-Tate）關(guān)聯(lián)式管子處于均勻壁溫適用的參數(shù)范圍：2.層流入口段換熱的Nu數(shù)§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式第22頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式(2300≤Ref≤104)四、管槽內(nèi)過渡流換熱實驗關(guān)聯(lián)式第23頁/共36頁§6-3內(nèi)部強制對流的實驗關(guān)聯(lián)式五、一般解題思路1.計算定性溫度，查物性參數(shù)；2.利用雷諾數(shù)判斷流動狀態(tài)；3.選用合適的實驗關(guān)聯(lián)式；4.計算努賽爾數(shù)，進一步得到對流傳熱系數(shù)；5.根據(jù)牛頓冷卻公式計算出對流換熱量。6.校核，是否需要修正/假設(shè)是否正確。第24頁/共36頁例3（P254）：水流過長l=5m、壁溫均勻的直管時，從tfˊ=25.4℃被加熱到tf〞=34.6℃。管子的內(nèi)徑d=20mm，水在管內(nèi)的流速為2m/s，求表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。u=2m/s,tfˊ=25.4℃tf〞=34.6℃d=20mm第25頁/共36頁解:(1)定性溫度：30℃水的物性參數(shù)：(2)判斷流動形態(tài)紊流流動第26頁/共36頁流體加熱，n=0.4(3)計算準則，選定公式。（4）校核，是否需要修正（a）（b）是否在范圍內(nèi)第27頁/共36頁故滿足要求。要求tw，先求第28頁/共36頁例3：空氣以2m/s的速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流動，入口處空氣的溫度為20℃，管壁溫度為120℃，試確定將空氣加熱至60℃所需管子的長度？u=2m/s,tfˊ=20℃d=10mmtf〞=60℃l=？tw=120℃第29頁/共36頁解：空氣的定性溫度為tf=(20+60)/2=40℃，查出空氣的物性參數(shù)為μf=19.1×10-6Pa·s，ρ=1.128kg/m3，Pr=0.699，cp=1.005KJ/(kg·℃)，λ=2.76×10-2W/(m2·K)，當(dāng)tw=120℃時，μw=22.8×10-6Pa·s（1）判斷流型，雷諾數(shù)：層流第30頁/共36頁（2）選擇公式得由能量平衡有：l=0.148m第31頁/共36頁（3）校核l=0.148m所以公式選擇正確。第32頁/共36頁管內(nèi)強制對流換熱采用試算法的情形，及判斷迭代過程達到收斂的依據(jù)：采用試算法的情形：（1）管長l未知。此時可先令cl=1，根據(jù)熱平衡方程求出管長后再校正。（2）流體速度未知。可先假定流速，根據(jù)Re選擇層流或湍流公式，最后根據(jù)熱平衡方程對流速進行校正。（3）管內(nèi)壁溫未知?？上燃俣╟t=1，然后由熱平衡方程確定壁溫，最后進行修正。（4）管內(nèi)徑未知。處理方法與流速和管長未知情形相似。（5）流體出口溫度未知。此時先假設(shè)流體出口溫度，最后用熱平衡方程求出出口溫度，直到滿足熱平衡偏差為止。迭代過程收斂的條件為熱平衡偏差值小于±5%。第33頁/共36頁小結(jié)一、管內(nèi)強迫對流傳熱概述1.管內(nèi)紊流(Re≥104)換熱準則關(guān)系式流體被加熱時n=0.4；流體被冷卻時n=0.3。2.管