单相对流传热的实验关联式ppt课件.ppt

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1、第6章 单相对流传热的实验关联式,6.1 相似原理与量纲分析,6.1.1 物理现象相似的定义,问题：除外掠平板外，一般对流传热问题很难得到分析解。 大多数对流传热规律由实验获得实验法。,实验法存在的难题： 对流传热影响因素多，函数关系复杂，实验工作量大。 例如圆管内单相强制对流传热, 某些实验难以进行。 例如某些高温、高压、大型设备等情形，现场无法实验。,几何图形相似：对应边一一成比例，对应角相等。 即边长一一对应成比例，边长比例相同； 而角度也一一对应成比例，角度比例相同。 几何图形按比例缩放。,现象相似：对应物理量一一成比例（即现象按比例缩放）。,（1）同类现象：相同内容（物理本质相同），

2、 相同形式（微分方程相同）。,（2）物理量对应成比例：比例系数可以不同。,（3）非稳态问题：相应时刻，物理量的空间分布相似。,相似现象物理量的场，可以用统一的无量纲的场来表示。,6.1.2 相似原理的基本内容,1. 相似物理现象间的重要特性同名相似特征数相等,例如：固体壁面上的对流传热，其温度场,将方程无量纲化：,无量纲场相同：努塞尔数,2. 同一类现象中相似特征数的数量及其间的关系,定理：方程中有 个物理量， 涉及 个基本量纲， 可用 个特征数表示。,基本量纲：,长度,质量,时间,电流,温度,物质的量,发光强度,3. 两个同类物理现象相似的充要条件,（1）同名的已定特征数相等；,已定特征数

3、， ；未定特征数 。,（2）单值性条件相似。 单值性条件即定解条件： 初始条件； 边界条件； 几何条件； 物理条件。,6.1.3 导出相似数的两种方法,1. 相似分析法（方程分析法）,已知：微分方程，原理：物理量对应成比例。（比例系数相似倍数）,例子1：两个相似的对流传热现象,现象1,现象2,物理量场分别相似：,将 、 、 、 ，代入现象1：,将相似倍数关系，再次代入：,例子2：由动量微分方程式,可得：,例子3：由能量微分方程式,可得：,贝克来数：,方程中存在体积力 ，压力梯度,例子4：自然对流动量方程式,将两者合并成浮升力：,式中， 流体的体胀系数 流体的过余温度,自然对流的动量方程：,格拉

4、晓夫数：,6.2 相似原理的应用,6.2.1 应用相似原理指导实验的安排及试验数据的整理,1. 相似原理的重要应用，就是指导实验安排,例如：管内单相强制对流传热问题,由相似原理,优点： 大幅度减少试验次数； 实验具有通用性，可代表一组相似现象。,具体步骤： 确定 ： 恒定 ，测 关系。,2. 特征数方程（实验关联式）的常用形式,对单相强制对流传热，常用形式：,由实验确定 、 、 。, 确定 和 ： 恒定 ，测 关系。,例如：管内湍流对流传热问题,6.2.2 应用相似原理指导模化试验,模化试验：用模型研究实际装置。,要求：模型和装置现象相似。 单值性条件相似； 已定特征数相等。,一般采用近似模化

5、：主要条件满足相似原理。,例如,稳态对流传热问题，相似要求： 流速场几何相似；边界条件相似； 、 相等；物性采用定性温度近似。,6.2.3 应用特征数方程应注意之点,（1）特征长度：取影响流动的代表性尺度。 例如，管内流动内径； 管外流动外径。,（2）特征流速：不同问题，选不同流速。 例如，外掠平板来流速度 ； 管内流动截面平均流速 。,（3）定性温度：根据特性，选平均值。 例如，内部流动 ； 外部流动 。,（4）参数范围： 、 、几何尺寸等适用范围。,6.2.4 应用特征数对实验关联式准确性的正确认识,实验关联式往往只考虑了影响传热的主要因素，次要因素的影响常被忽略，因而存在误差（可达20%

6、-25%），实际应用中，通过修正，可达到较准确的结果。,单相对流传热，常用三种形式：,P242例题6-1 一换热设备的工作条件是：壁温tw=120oC，加热tf=80oC的空气，空气流速u=0.5m/s。采用一个全盘缩小成原设备1/5的模型来研究它的换热情况。在模型中亦对空气加热，空气温度tf=10oC，壁面温度tw=30oC。试问模型中流速u应多大才能保证与原设备中的换热现象相似（模型中各量用上角标“”标明）。,解：模型与设备为同类现象，由相似原理：, 对空气：温度变化不大, 对设备：,，,对模型：,，,因此： ， ，,空气 ，,P242例题6-2 用平均温度为50oC的空气来模拟平均温度为

7、400oC的烟气的外掠管束的对流传热，模型中烟气流速在1015m/s范围内变化。模型采用与实物一样的管径，问模型中空气的流速应在多大范围内变化？,解：由相似原理：,烟气 ，,，,6.3 内部强制对流传热的实验关联式,6.3.1 管槽内强制对流流动与换热的一些特点,1. 两种流态,层流： ；,过渡流： ；,旺盛湍流： 。,临界雷诺数,2. 入口段与充分发展段, 流体进入管内，边界层逐渐增加，汇合于管的中心线。,层流,湍流, 入口段：边界层较薄，温度变化大，换热效果好入口效应。 充分发展段：边界层较厚，并且不再变化，换热保持恒定。, 层流入口段长度 ： 。 湍流时： ，可忽略入口段影响。,3. 两

8、种典型的热边界条件均匀热流和均匀壁温, 均匀热流： ，例如：电加热器。 、 都变化，温差恒定。, 均匀壁温： ，例如：冷凝器。,4. 流体平均温度以及流体与壁面的平均温差,定性温度：,入口温度， 出口温度。,平均温度： 、 取截面上的平均值 ， 已知温度分布理论计算、混合流体实验测量。,平均温差：因换热，各处温差不同，,对数平均温差,6.3.2 管槽内湍流强制对流传热关联式,1. 常规流体（ 的流体）,1）Dittus-Boelter公式（迪图斯-贝尔特公式）,加热流体： ，冷却流体：,定性温度：,，特征长度：内径,适用范围：,，,中等以下温度差：气体 ， 水,超出适用范围，进行修正：,（1）

9、变物性影响的修正（温差修正）,流体温度变化，影响物性参数，引起流速场和温度场变化。, 考虑加热和冷却时，温度分布不同： 的指数取不同的值。, 引入，温度修正系数,气体加热,气体冷却,液体加热,液体冷却,（2）入口段的影响 入口段边界层较薄，具有强化传热的效应。 引入，入口效应修正系数,（3）非圆截面的槽道 采用 当量直径,流动截面积； 润湿周长,（4）螺旋管 横截面上会引起二次环流，可强化传热。 引入，螺旋管修正系数,气体,液体,弯管曲率半径,修正后：,2）Gnielinski公式（格尼林斯基公式）较准,液体 ，,气体 ，,Darcy阻力系数,验证范围,6.3.3 管槽内层流强制对流传热关联式

10、,（1）层流充分发展段,（达尔西阻力系数）, 两种边界条件（均匀热流、均匀壁温）， 不同；,特点：, 对等截面直通道： 数与 数无关，为一常数；, 数与截面形状有关，无法用当量直径 表示。,其他：环形空间内层流充分发展换热，见书P251,（2）层流入口段,齐德-泰特公式（Sieder-Tate公式）,验证范围： 管子处于均匀壁温,P254例题6-3 水流过长l=5m、壁温均匀的直管时，从tf=25.3oC被加热到tf=34.6oC，管子的内径d=20mm，水在管内的流速为2m/s，求表面传热系数。,解：定性温度：,物性参数：,雷诺数： （旺盛湍流）,长度与内径比： （充分发展段）,迪图斯-贝尔

11、特公式：,验证温差 范围： （中等以下温差）,时，,6.4 外部强制对流传热流体横掠单管、 球体及管束的实验关联式,6.4.1 流体横掠单管的实验结果,外部流动：边界层可自由发展，不受限制。,横掠单管：流体垂直管子轴线流动。,流动特点：产生绕流脱体现象。,绕流脱体：前半程压力减小 ，后半程增大。 后半程流动出现两区域： 边界层流速较大区域，动量较大，可以克服压力增长，平稳流动； 边界层底部，流动缓慢，动量较小，跟不上压力增长，产生分离。在尾迹区，两种流动相互作用，流动变得不稳定，出现回流、漩涡。例如：汽车驶过，车后扬灰。,绕流脱体起点位置：,时，不出现；,， ；,， 。,绕流脱体现象会强化传热

12、：, 时， 出现绕流脱体；, 时， 出现湍流， 出现绕流脱体。,圆管表面平均表面传热系数的关联式：,分段关联式： 、 根据 取值；,定性温度：,特征长度：外径 ， 特征流速：来流速度,对空气： ，,邱吉尔-朋斯登准则式（Churchill-Bernstein)：,验证范围： ，范围广。,气体横掠非圆形截面柱体的实验关联式：,式中， 、 取值见下表；,注意：特征长度 。,6.4.2 流体外掠球体的实验结果,定性温度：来流温度,特征长度：球体直径,适用范围：,6.4.3 流体横掠管束的实验结果,叉排：交叉排列。 扰动剧烈， 换热强烈， 流动阻力大。,1. 管束的排列方式及其对流动与传热的影响,顺排

13、：对齐排列。 扰动较差， 换热较弱， 流动阻力小。,2. 影响管束平均传热性能的因素, 流动的 数、流体的 数；, 排列方式：叉排、顺排；, 横向间距 、纵向间距 ；, 管排数：前排管子影响流动，从而影响后排管子换热， 管排数较大时，换热充分发展，与管排数无关。, 物性变化：修正因子 。,3. Zhukauakas关联式（茹卡乌斯卡斯关联式）,流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关联式,流体横掠叉排管束平均表面传热系数计算关联式,注意： 管排数 ， 较小时：管排修正系数,定性温度： ，,按平均壁温确定,特征流速：最小截面处平均流速,特征长度：外径， 适用范围：,P262例题6-4 在低温风洞中

14、用电加热圆管的方法来进行空气横掠水平放置圆管的对流换热试验。试验管置于风洞的两个侧壁上，暴露在空气中的部分长100mm，外径为12mm。实验测得来流的t=15oC，换热表面平均温度tw=125oC，功率P=40.5W。由于换热表面的辐射及换热管两端通过风洞侧壁的导热，估计由15%的功率损失掉，试计算此时对流传热的表面传热系数。,解：热流量：,平均表面传热系数：,实验误差： 辐射损失（镀铬，降低发射率 ）,两端导热损失（两端用绝热材料）,P262例题6-5 在一锅炉中，烟气横掠 4 排管组成的顺排管束。已知管外径d=60mm，s1/d=2，s2/d=2，烟气平均温度tf=600oC，tw=120

15、oC。烟气通道最窄处平均流速u=8m/s。试求管束平均表面传热系数。,解：,时：,时：,雷诺数：,茹卡乌斯卡斯关联式：,管排数 排 ：,管排修正系数,平均表面传热系数：,6.5 大空间与有限空间内 自然对流传热的实验关联式,6.5.1 自然对流传热现象的特点,自然对流：温度不均匀，引起各处密度不同， 由此产生浮升力而流动。,特点：热流密度低（ ）， 安全、经济、无噪音，广泛采用。,1. 边界层中的速度与温度分布,以等温竖直平壁为例，在其附近： 温度场：靠近壁面处，温度变化大； 速度场：壁面附近，温度变化大，浮升力大， 但贴壁处粘滞力作用，速度为零。,2. 层流与湍流, 竖壁下部：刚开始流动，速

16、度慢为层流， 边界层厚度增加，换热减弱；, 竖壁中部：流速增大，出现湍流，换热增强；, 竖壁上部：流动混乱，旺盛湍流，换热恒定。,例如：烟火自然对流现象。,6.5.2 自然对流传热的控制方程与相似特征数,边界层动量方程：,体积力为重力：,在边界层外： （代入上式）,（ 方向压力变化均匀）,引入，体胀系数 ：,，,自然对流动量方程：,将方程无量纲化，可得：,格拉晓夫数 ，,物理意义：浮升力与粘滞力比值的一种量度。,自然对流传热准则方程式：,对自然对流能量方程讨论，可得：,瑞利数,注：用 判断流态。,6.5.3 大空间自然对流传热的实验关联式,1. 大空间与有限空间自然对流,大空间自然对流：边界层

17、不相互干扰，可自由发展。 例如：教室的墙壁。,有限空间自然对流：空间限制流动，边界层相互干扰。 例如：双层玻璃之间。,2. 均匀壁温边界条件的大空间自然对流,定性温度： ，,理想气体：, 特征长度：竖壁、竖圆柱高度 ， 横圆柱外径 。, 对气体完全适用，对液体：修正因子 ；, 竖圆柱与竖壁用同一个关联式，条件： 。,注意：,对水平平面自然对流传热：, 热面向上和冷面向下（流动相似）, 热面向下和冷面向上（流动相似）,定性温度：,特征长度： ， 换热面积,球体的自然对流传热实验关联式：,定性温度：,特征长度： 外径,适用范围：,3. 均匀热流边界条件,常见：电子器件、机器设备冷却问题。,（1）采

18、用常壁温公式,竖直平板：壁面温度采用平板中点,（2）采用专门公式,水平板热面向上与向下：,热流密度,特征长度：矩形取短边长,注意：公式适用于二维条件，若长边接近短边， 将偏小。,空腔：竖直夹层和水平夹层， 两换热壁面等温 、 两绝热壁面（传热量少，可忽略）,6.5.4 有限空间自然对流传热的实验关联式,有限空间：流体受到腔体的限制， 流体的加热与冷却在腔体内同时进行。,流动取决于 数：,定性温度：,温度差值：,特征长度：换热面间距,流动状态： 竖直夹层,时，导热；时，对流。, 水平夹层,时，导热；时，对流。,（底为热面）,竖夹层实验关联式：,实验范围：形状修正因子,水平夹层（底面向上散热)：,P274例题6-6 室温为10oC的大房间中有一个直径为15cm的烟筒，其竖直部分高1.5m，水平部分长15m。求烟筒的平均壁温为110oC时每小时的对流散热量。,解：定性温度：,物性参数：,（1）烟筒竖直部分：,特征长度,竖圆柱，湍流：,（2）烟筒水平部分：,特征长度,横圆柱，层流：,总散热量：,考虑辐射换热（ ）：,P276例题6-8 一个竖封闭空腔夹层，两壁是边长为0.5m的方形壁，两壁间距为15mm，温度分别为100oC和40oC。试计算通过此空气夹层的自然对流传热量。,解：定性温度：,物性参数：,辐射换热：,