06章-單相流體對流傳熱課件

第六章單相流體對流傳熱6.1管內(nèi)受迫對流換熱6.2外掠圓管對流換熱6.3自然對流換熱第六章單相流體對流傳熱6.1管內(nèi)受迫對流換熱2/276.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析內(nèi)部強制對流在工程上有大量應(yīng)用：暖氣管道、各類熱水及蒸汽管道、換熱器等內(nèi)部強制對流與外部強制對流：管槽內(nèi)部強制對流受流道壁面的約束，邊界層的發(fā)展受到限制。（注意與外掠等溫平板強制對流的區(qū)別）2/276.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析內(nèi)部強制對流3/27一、進口段與充分發(fā)展段流動亦分為層流和紊流，管內(nèi)臨界雷諾數(shù)Rec＝2300。

Re<2300，層流；2300<Re<10000,過渡區(qū)；Re>10000，旺盛湍流區(qū)2.流動充分發(fā)展段：徑向速度分量v為零，軸向速度u不再隨x變化。概念：流體從進入管口開始，經(jīng)過一段距離后，管內(nèi)斷面流速分布和流動狀態(tài)才能定型，這段距離稱為進口段。此后即為流動充分發(fā)展段，其流動狀態(tài)由Re數(shù)確定。主要特點：6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析3/27一、進口段與充分發(fā)展段流動亦分為層流和紊流，管內(nèi)臨界4/27若存在熱交換，管內(nèi)流體平均溫度tf將不斷變化，壁面溫度tw也將發(fā)生變化。變化規(guī)律取決于邊界條件的類型（如常見的：恒熱流和恒壁溫）。與流動進口段一樣，管內(nèi)對流換熱也存在熱進口段和熱充分發(fā)展段。熱充分發(fā)展段性質(zhì)：一、進口段與充分發(fā)展段常物性流體在熱充分發(fā)展段性質(zhì)：表面對流傳熱系數(shù)hx

保持不變。流動進口段與熱進口段長度取決于Pr數(shù)。Pr>1，流動進口段短；Pr<1，熱進口段短。6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析4/27若存在熱交換，管內(nèi)流體平均溫度tf將不斷變化，5/27入口段長度l：層流：l/d≈

0.05RePr（常壁溫）；l/d≈0.07RePr（常熱流）湍流：l/d≈10~45入口段熱邊界層厚度薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。層流Rex<2300湍流一、進口段與充分發(fā)展段6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析層流底層紊流層5/27入口段長度l：層流：l/d6/271）平均流速：二、管內(nèi)流體平均流速與平均溫度2）平均溫度（確定物性及換熱溫差）：（1）斷面方向平均溫度：須已知斷面速度及溫度分布（2）管長方向平均溫度：

dx管段流體獲得熱量6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析6/271）平均流速：二、管內(nèi)流體平均流速與平均溫度2）平均7/27二、管內(nèi)流體平均流速與平均溫度2）平均溫度（斷面方向和管長方向）：（2）管長方向平均溫度

分別整理上式：常熱流邊界（q=const）：在常熱流邊界條件下，充分發(fā)展段管壁溫度、流體溫度均呈線性變化，且兩者變化速率相等；進口段受邊界層影響，h不斷變小，故流體與壁面溫差逐漸變大。在計算平均溫差時，取進口和出口兩端溫差Δt’和Δt’’的算術(shù)平均值作為全管長流體與壁面的平均溫差：tf變化?6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析7/27二、管內(nèi)流體平均流速與平均溫度2）平均溫度（斷面方向8/27二、管內(nèi)流體平均流速與平均溫度2）平均溫度（斷面方向和管長方向）：常壁溫邊界（tw=const）：上式沿管長0到x積分：流體與壁面間溫差沿管長呈指數(shù)曲線變化，那么全管長流體與壁面平均溫差Δtm：對數(shù)平均溫差Δtm：6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析8/27二、管內(nèi)流體平均流速與平均溫度2）平均溫度（斷面方向9/27三、物性場不均勻性當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時，管截面上流體溫度變化較大；尤其是黏性隨溫度的變化，導(dǎo)致管截面上流體速度的與等溫流動不同，進而影響流體與管壁之間的熱量傳遞。

1-等溫流

2-冷卻液體或加熱氣體

3-加熱液體或冷卻氣體溫度的變化，還會引起密度不同，必然產(chǎn)生自然對流，從而影響流動及換熱，對大管徑、低流速或大溫差時應(yīng)預(yù)關(guān)注。6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.1一般分析9/27三、物性場不均勻性當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時，管截10/271.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式通式（迪圖斯－貝爾特公式）：式中：定性溫度取為全管長平均溫度；特征流速為管內(nèi)平均流速；特征尺寸為管內(nèi)徑；非圓截面管，特征長度取為當(dāng)量直徑de＝4Ac/P

（Ac為截面積，P為濕周）。加熱流體

n＝0.4冷卻流體n＝0.3得到Nu或h后，即可根據(jù)牛頓冷卻公式計算管內(nèi)湍流強制對流換熱量或熱流密度。適用范圍：

l/d>>10的光滑圓管紊流流動充分發(fā)展段；流體與壁面具有中等以下的溫差：氣體≤50℃水≤20～30℃油≤10℃；Ref>104，Prf＝0.7～160；對于恒壁溫、恒熱流邊界條件均適用；不適用于Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬。一、紊流換熱關(guān)聯(lián)式6.1管內(nèi)受迫對流換熱10/271.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式通式（迪圖斯－貝爾11/27希得-塔特關(guān)聯(lián)式：紊流換熱修正關(guān)聯(lián)式：一、紊流換熱關(guān)聯(lián)式格尼林斯基關(guān)聯(lián)式：氣體：液體：適用條件：適用條件：126.1管內(nèi)受迫對流換熱1.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式11/27希得-塔特關(guān)聯(lián)式：紊流換熱修正關(guān)聯(lián)式：一、紊流換12/27根據(jù)光滑圓管紊流傳熱通用公式，可知：h的影響因素：密度和速度均為0.8次方，影響最大。影響較大的因素其次是導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容；這也反映了同等條件下，水的對流換熱系數(shù)要比空氣大。在流速和溫度不變前提下，小管徑能提高換熱系數(shù)，如圓管改成橢圓管。增加速度可提高換熱系數(shù)，如流速由1m/s提高到1.5m/s，換熱系數(shù)增加40%；然而，增加流速同時會引起流動阻力上升，須綜合考慮。迪圖斯－貝爾特公式：一、紊流換熱關(guān)聯(lián)式6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式12/27根據(jù)光滑圓管紊流傳熱通用公式，可知：h的影響因素13/27結(jié)題思路：1）首先根據(jù)給定條件選擇合適的關(guān)聯(lián)式：（a）管內(nèi)流動；（b）壁面溫度高于流體溫度；（c）流體溫度范圍或流體與壁面溫差是否滿足迪圖斯-貝爾特公式，不滿足則用其他經(jīng)驗公式。2）根據(jù)關(guān)聯(lián)式，確定定性溫度、定型尺寸和物性參數(shù)，同時計算Re數(shù)判斷流態(tài)；3）將參數(shù)帶入關(guān)聯(lián)式，計算Nu數(shù)，進而求出對流換熱系數(shù)。例1：一臺管殼式蒸汽換熱器，管內(nèi)水的流速為um=0.85m/s，全管長水的平均溫度tf=90℃，管壁面溫度tw=115℃，管長為1.5m，管內(nèi)徑d=17mm，試計算其表面換熱系數(shù)。6.1管內(nèi)受迫對流換熱13/27結(jié)題思路：例1：一臺管殼式蒸汽換熱器，管內(nèi)水的流速14/27式中：定性溫度取為進出口流體平均溫度的算術(shù)平均值；特征流速為管內(nèi)平均流速；特征長度為管內(nèi)徑；管內(nèi)層流換熱Nu（充分發(fā)展段）：管內(nèi)流動入口段為層流。常見于微型動力設(shè)備、電器及儀表等空氣冷卻或加熱過程。西得-塔特常壁溫層流換熱關(guān)聯(lián)式：二、層流換熱關(guān)聯(lián)式6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式14/27式中：定性溫度取為進出口流體平均溫度的算術(shù)平均值；15/27【解】：確定定性溫度tf=(20+60)/2=40℃，查物性參數(shù)：雷諾數(shù)：Re=1.18×103<2300，故為層流。選用層流換熱關(guān)聯(lián)式：例2：空氣以2m/s速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流動，入口處的空氣溫度為20℃，管壁溫度為120℃，試確定將空氣加熱至60℃時所需要的管長。將參數(shù)帶入層流換熱關(guān)聯(lián)式，整理可得：h=10.12l-1/3

。根據(jù)能量平衡方程有：6.1管內(nèi)受迫對流換熱15/27【解】：確定定性溫度tf=(20+60)/2=4016/27例2：空氣以2m/s速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流動，入口處的空氣溫度為20℃，管壁溫度為120℃，試確定將空氣加熱至60℃時所需要的管長。將參數(shù)帶入層流換熱關(guān)聯(lián)式，整理可得：h=10.12l-1/3

。根據(jù)能量平衡方程有：整理上式可得：hl=2.83。聯(lián)立兩式，可計算出l=0.148m。6.1管內(nèi)受迫對流換熱16/27例2：空氣以2m/s速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流17/27

三、管槽內(nèi)部強制對流換熱的強化：機理：減薄或消除熱邊界層。措施：增加流速、增加內(nèi)壁粗糙度；內(nèi)肋管、內(nèi)螺紋管；彎管、扭曲管等。注意：強化傳熱的措施往往引起流動阻力的增加，其輸送能耗必然增加，需要綜合考慮。（對流傳熱場協(xié)同作用）6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式17/27三、管槽內(nèi)部強制對流換熱的強化：18/27四、微細(xì)尺度通道內(nèi)的流動與傳熱及納米流體傳熱：

MEMS:特征尺度10-6m～10-3m，流動與傳熱存在尺度效應(yīng)?？伺瓟?shù)：Kn＝λ/lKn≤0.001，連續(xù)介質(zhì)區(qū)0.001<Kn<0.1，速度滑移與溫度跳躍區(qū)0.1<Kn<10，過渡區(qū)Kn≥10，自由分子區(qū)特點：控制過程的作用力影響顯著變化；表面粗糙度影響顯著變化；壁面導(dǎo)熱影響明顯；流體的可壓縮性；氣體的稀薄性。納米流體：基礎(chǔ)流體中添加納米尺度顆粒構(gòu)成的復(fù)合流體。式中，λ是流體分子平均自由程；L是系統(tǒng)的長度尺度6.1管內(nèi)受迫對流換熱1.2管內(nèi)對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式18/27四、微細(xì)尺度通道內(nèi)的流動與傳熱及納米流體傳熱：克努19/27作業(yè)：1、水以um=1.5m/s的速度流過內(nèi)徑d=25mm的加熱管，管內(nèi)壁溫度保持恒定且tw=100℃，水的進口溫度為15℃，若使水的出口溫度達(dá)到85℃，求單位管長的換熱量。（可不考慮管長修正）注意溫差選用。Nu=343.4，h=9.05，q=28.7。2、一套管式換熱器，管外壁溫度保持在100℃。初溫為25℃，質(zhì)量流量為0.8kg/s的水從套管換熱器的環(huán)形空間中流過，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層內(nèi)管外徑為40mm，外管內(nèi)徑為60mm，試確定把水加熱到55℃時所需的套管長度，及管子出口截面處的局部熱流密度。Nu=93.3,h=2962.3,q=100176,l=4.4853、例題6-2：一班同學(xué)假設(shè)tf’’=110/120℃，二班同學(xué)假設(shè)tf’’=150/160℃。6.1管內(nèi)受迫對流換熱19/27作業(yè)：6.1管內(nèi)受迫對流換熱20/27

外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不受鄰近壁面的約束。（外掠平壁、橫掠單管、外掠球體、橫掠管束）一、橫掠單管對流換熱：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體現(xiàn)象。一般來說，脫流強化了傳熱，但是增加阻力損失。6.2外掠圓管對流換熱橫掠單管繞流的特點：前半圓周：壓力減小速度增加后半圓周：壓力增加速度減小逆壓梯度是造成流動分離的直接原因。壓力減小壓力增加20/27外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自21/27橫掠單管繞流的特點：Re＝10～1.5×105：層流，脫體角φ＝80?～85?Re≥1.5×105：湍流，脫體角φ＝140?一、橫掠單管對流換熱：6.2外掠圓管對流換熱21/27橫掠單管繞流的特點：Re＝10～1.5×105：層22/27橫掠單管繞流對流換熱的特點：一、橫掠單管對流換熱：hx的變化規(guī)律：1）在0°位置，流體速度最大，因此該位置局部換熱系數(shù)相對較大；2）層流：隨著層流邊界層發(fā)展，hx逐漸變小，一直到脫體點最小；隨后逐漸回升；3）紊流：hx第一極小點位置是層流邊界層向紊流邊界過渡點；hx第二極小點是脫體點；hx最大點是紊流完全發(fā)展區(qū)。6.2外掠圓管對流換熱22/27橫掠單管繞流對流換熱的特點：一、橫掠單管對流換熱：23/27橫掠單管對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式：式中：C,n的值見教材表6-1；定性溫度tm＝(tw+t∞)/2；特征長度為管外徑d；特征速度為來流速度u∞分段冪次關(guān)聯(lián)式一、橫掠單管對流換熱：圓柱體繞流對流換熱的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不僅與Re，Pr相關(guān)，而且與流動分離相關(guān)。平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實驗關(guān)聯(lián)式采用基于不同Re范圍的分段冪次函數(shù)表示。6.2外掠圓管對流換熱23/27橫掠單管對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式：式中：C,n的值見24/27縱掠單管對流換熱如何考慮？可視為長l，寬πd的外掠平板u∞，t∞外掠球體對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式Re<5105,層流Re>5105,湍流式中：定性溫度為來流溫度；特征流速為來流速度；特征長度為球直徑；適用于：Pr＝0.71～380，Re＝3.5～7.6e+4補充：6.2外掠圓管對流換熱24/27縱掠單管對流換熱如何考慮？可視為長l，寬πd的外25/27橫掠管束流動的特點：1）分為叉排和順排兩種形式，換熱器中常用；2）除第一排管子保持了外掠單管的特征外，從第二排起流動將被前幾排管子引起的渦旋所干擾，流動復(fù)雜；3）一般說叉排擾動大，換熱強，但阻力損失大；順排擾動小，換熱弱，但是阻力?。?）Re<103時，前排管子對后排影響較小，