传热学第6章ppt课件.ppt

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1、第6章 对流换热,1,第六章 单相对流传热的实验关联式,第6章 对流换热,2,第6章 对流换热,3,6-1 相似原理及量纲分析,1 问题的提出,(2) 实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？,相似原理将回答上述三个问题,(1) 变量太多,第6章 对流换热,4,特征数方程：无量纲量之间的函数关系,相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，,物理现象相似：,对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。,同类物理现象,用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。,物理现象相似的特性,(2)各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特

2、征数：,(1)同名特征数对应相等；,第6章 对流换热,5,4 物理现象相似的条件 同名的已定特征数相等 单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件,测量哪些物理量：只需测量各特征数所包含的物理量,实验数据如何整理：按特征数之间的函数关系整理,某一物理现象涉及哪些无量纲数？函数关系如何？,如何进行试验：相似原理的指导下采用模化试验,第6章 对流换热,6,5 无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法,相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。 以左图的对流换热为例，,现象1：,现象2：,第6章

3、 对流换热,7,建立相似倍数：,相似倍数间的关系：,第6章 对流换热,8,获得无量纲量及其关系：,类似地：通过动量微分方程可得：,能量微分方程：,贝克来数,第6章 对流换热,9,自然对流：相似分析，可得格拉晓夫数,式中： 流体的体积膨胀系数 K-1 Gr 表征流体浮生力与粘性力的比值,第6章 对流换热,10,a 基本依据： 定理：n个物理量 n - r 个独立的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。,b 优点: (a)方法简单；(b) 在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量,例题：以圆管内单相强制对流换热为例 (a)确定相关的物理量 ,(2) 量纲分析法：（自学）,第6章 对流

4、换热,11,国际单位制中的7个基本量：长度m，质量kg，时间s，电流A，温度K，物质的量mol，发光强度cd,因此，上面涉及了4个基本量纲：时间T，长度L，质量M，温度 r = 4,(b)确定基本量纲 r,第6章 对流换热,12,n r = 3，三个无量纲量，选定4个基本物理量u,d,为基本物理量,(c)组成三个无量纲量,(d)求解待定指数，以1 为例,第6章 对流换热,13,第6章 对流换热,14,同理：,于是有：,单相、强制对流,第6章 对流换热,15,同理，对于其他情况：,自然对流换热：,混合对流换热：,强制对流:,第6章 对流换热,16,(1)模化试验应遵循的原则,a 模型与原型中的对

5、流换热过程必须相似；,b 单值性条件必须相似，已定特征数相等；,c 物性相似通过引入定性温度来近似实现,1 如何进行模化试验,6-2 相似原理的应用,第6章 对流换热,17,(a) 流体温度：,(2)定性温度、特征长度和特征速度,a 定性温度：相似特征数中所包含的物性参数，如： 、 、Pr等，往往取决于温度,流体沿平板流动换热时：,流体在管内流动换热时：,(b) 热边界层的平均温度：,(c) 壁面温度：,在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如：,使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致,第6章 对流换热,18,b 特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；,取对于流动和换热有

6、显著影响的几何尺度,不规则槽道：当量直径,当量直径(de),Ac 过流断面面积，m2 P 湿周，m,第6章 对流换热,19,第6章 对流换热,20,2 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式（241）,第6章 对流换热,21,3 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）,通常整理成已定准则的幂函数形式：,式中，c、n、m 等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定,第6章 对流换热,22,22,幂函数在对数坐标图上是直线,第6章 对流换热,23,（1） 实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）,（2） 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）,（3） 实物试验很困难或太昂贵的情况，如何

7、进行试验？, 回答了关于试验的三大问题：, 所涉及到的一些概念、性质和判断方法：,物理现象相似、同类物理现象、 物理现象相似的特性、 物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度, 无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法,相似原理,第6章 对流换热,24,自然对流换热：,混合对流换热：,强制对流:,常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义 模化试验应遵循的准则数方程,试验数据的整理形式：,第6章 对流换热,25,复习,自然对流换热：,强制对流:,第6章 对流换热,26,6-3 内部强制对流换热实验关联式,一、管槽内强制对流流动和换热的特征 1. 两种流

8、态 层流： 过渡区： 旺盛湍流：,第6章 对流换热,27,2. 入口段和充分发展段 湍流时:,层流,湍流,层流入口段长度:,第6章 对流换热,28,3. 两种典型的热边界条件均匀壁温和均匀热流两种。 湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显,第6章 对流换热,29,4. 特征速度及定性温度的确定 特征速度：截面平均流速。 定性温度：截面上流体的平均温度或进出口截面平均温度 5. 牛顿冷却公式中的平均温差 对恒热流条件，可取 作为 。 对于恒壁温条件，截面上的局部温差是个变值，应利用热平衡式：,第6章 对流换热,30,为质量流量； 分别为出口、进口截面上

9、的平均温度； 按对数平均温差计算：,第6章 对流换热,31,二. 管内湍流换热实验关联式 1.常规流体（Pr0.6)迪贝斯贝尔特公式： 加热流体时 冷却流体时 式中: 定性温度：流体平均温度特征长度： 管内径。 实验验证范围： 适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。,第6章 对流换热,32,变物性影响的修正,一般在关联式中引进乘数 来考虑不均匀物性场对换热的影响。,第6章 对流换热,33,大温差情形，可采用下列任何一式计算。 （1）迪贝斯贝尔特修正公式 对气体被加热时， 当气体被冷却时， 对液体,液体受热时 液体被冷却时,第6章 对流换热,34,（2）采用齐德泰特公式： 定性温度： （ 按壁温

10、 确定），特征长度：管内径 实验验证范围为：,第6章 对流换热,35,（3）采用米海耶夫公式： 定性温度，特征长度：管内径 实验验证范围为：,第6章 对流换热,36,上述准则方程的应用范围可进一步扩大。 （1）非圆形截面槽道 特征尺度：当量直径,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。,第6章 对流换热,37,（3）螺线管 螺线管修正系数： 对于气体 对于液体,（2）入口段 入口段的传热系数较高入口效应修正系数：,以上所有方程适用范围：,第6章 对流换热,38,2.液态金属推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式： 均匀热流边界 实验验证范围： 均匀壁温边界 实验验

11、证范围： 特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。,第6章 对流换热,39,三. 管内层流换热关联式层流充分发展对流换热的结果很多。,第6章 对流换热,40,续表,第6章 对流换热,41,第6章 对流换热,42,定性温度特征长度：管内径管子处于均匀壁温 实验验证范围为：,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。,第6章 对流换热,43,解 l/d60 .由迪贝斯贝尔特公式,例题6-1 水流过长l=5m,壁温均匀的直管时,从=25.3被加热到=34.6.管子的内径d=20mm,水在管内的流速为2m/s,求表面传热系数.,计算,待算出h后再推算壁温,并校核温差

12、是否在适用范围之内.水的平均温度为,以此为定性温度,从附录查得,由此得,流动处于旺盛湍流区.,第6章 对流换热,44,由迪贝斯贝尔特公式求h,被加热水每秒内的吸热量为,第6章 对流换热,45,用下式计算壁温:,温差,远小于20,在适用范围内,故所求得的 即为本题答案.,6.3.4自学,第6章 对流换热,46,6-4 外部流动强制对流换热实验关联式,外部流动：流动边界层与热边界层能自由发展 一. 横掠单管换热实验关联式,流动特征：绕流脱体,第6章 对流换热,47,局部表面传热系数,10Re1.5105 层流脱体80-85,Re1.5105 湍流脱体140,e10 无脱体,第6章 对流换热,48,

13、平均表面传热系数,第6章 对流换热,49,可采用以下分段幂次关联式： 定性温度： 特征长度：管外径特征速度：来流速度 实验验证范围： ，,第6章 对流换热,50,二. 横掠管束换热实验关联式,排列方式：叉排顺排,影响管束换热的因素： 1）数2）排列方式3）管间距4）管束排数等,第6章 对流换热,51,管束的实验关联式（10排以上） 定性温度： 特征长度：管外径d 特征流速：最窄截面处的流速 实验验证范围：,管束排数的影响：后排管受前排管尾流的扰动作用直到10排以上的管子才能消失。,第6章 对流换热,52,C和m的值见下表,第6章 对流换热,53,排数少于10排的管束在上式基础上乘以管排修正系数

14、 值见表,第6章 对流换热,54,茹卡乌斯卡斯公式：表6-7，6-8 定性温度：进出口流体平均温度特征长度：管外径d 特征流速：最窄截面处的流速 实验验证范围：,第6章 对流换热,55,第6章 对流换热,56,6-5 自然对流换热及实验关联式,1.速度分布2.温度分布,第6章 对流换热,57,第6章 对流换热,58,流态：层流和湍流层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。 旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。,第6章 对流换热,59,自然对流换热的准则方程式 参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。 薄层外,第6章 对流换热,60,将此关系带入上式得 引入体积膨胀系数 ： 代入动量方程并令 改写原方程,第6章 对流换热,61,相似分析,第6章 对流换热,62,格拉晓夫数,浮升力/粘滞力,自然对流换热准则方程式为,第6章 对流换热,63,自然对流换热,大空间有限空间,底部封闭底部开口,第6章 对流换热,64,定性温度采用特征长度：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径,一. 大空间自然对流换热的实验关联式, ,理想气体,第6章 对流换热,65,二. 有限空间及混合自然对流换热（自学）,第6章 对流换热,66,第6章作业：1，8，10，16，25，26，33，38，41，48,6.6节自学,