传热学杨世铭陶文铨第六章单相对流传热.ppt
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1、第五章 对流换热,1,第6章 单相对流传热的实验关联式,第五章 对流换热,2,试验是不可或缺的手段,然而,经常遇到如下两个问题:(1)变量太多,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,第五章 对流换热,3,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。3 物理现象相似的特性同名特征数对应相等;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征数
2、:,特征数方程:无量纲量之间的函数关系,第五章 对流换热,4,4 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,实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性解决了实验中测量哪些物理量的问题,按特征数之间的函数关系整理实验数据,得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题,因此,我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数?它们之间的函数关系如何?这就是我们下一步的任务,可以在相似原理的指导下采用模化试验 解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下,如何进行试验的问题,第五章 对流换热,5,5 无量纲量的获得:相似分析法和量纲分析法,相似分析
3、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:,数学描述:,第五章 对流换热,6,建立相似倍数:,相似倍数间的关系:,第五章 对流换热,7,获得无量纲量及其关系:,上式证明了“同名特征数对应相等”的物理现象相似的特性,类似地:通过动量微分方程可得:,能量微分方程:,贝克来数,第五章 对流换热,8,对自然对流的微分方程进行相应的分析,可得到一个新的无量纲数格拉晓夫数,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,(2)量纲分析法:在已知相关物理量的
4、前提下,采用量纲分析获得无量纲量。,第五章 对流换热,9,a 基本依据:定理,即一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式,一定可以转换为包含 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,c 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,(b)确定基本量纲 r,第五章 对流换热,10,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,第五章 对流换热,11,n r=3,
5、即应该有三个无量纲量,因此,我们必须选定4个基本物理量,以与其它量组成三个无量纲量。我们选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,第五章 对流换热,12,第五章 对流换热,13,同理:,于是有:,单相、强制对流,第五章 对流换热,14,同理,对于其他情况:,自然对流换热:,混合对流换热:,按上述关联式整理实验数据,得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题,强制对流:,第五章 对流换热,15,(1)模化试验应遵循的原则,a 模型与原型中的对流换热过程必须相似;要满足上述判别相似的条件,b 实验时改变条件,测量与现象有关的、相似特征数中所包含的全部物理
6、量,因而可以得到几组有关的相似特征数,c 利用这几组有关的相似特征数,经过综合得到特征数间的函数关联式,1 如何进行模化试验,6-2 相似原理的应用,第五章 对流换热,16,(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,确定物性的温度即定性温度,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,第五章 对流换热,17,b 特征长度:包含在相似特征数中的几何长度;,应取
7、对于流动和换热有显著影响的几何尺度,如:管内流动换热:取直径 d,流体在流通截面形状不规则的槽道中流动:取当量直径作为特征尺度:,当量直径(de):过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直径,Ac 过流断面面积,m2P 湿周,m,第五章 对流换热,18,第五章 对流换热,19,2 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式,第五章 对流换热,20,3 实验数据如何整理(整理成什么样函数关系),特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性,目的:完满表达实验数据的规律性、便于应用,特征数关联式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
8、和最小二乘法确定,第五章 对流换热,21,幂函数在对数坐标图上是直线,第五章 对流换热,22,(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,第五章 对流换热,23,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
9、应遵循的准则数方程,试验数据的整理形式:,第五章 对流换热,24,6-3 内部流动强制对流换热实验关联式,管槽内强制对流流动和换热的特征,内部强制对流在工程上有大量应用:暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等,1 管槽内强迫对流换热的特点及几个重要的物理量,层流、紊流;临界雷诺数 Rec=2300,(1)流动状态,第五章 对流换热,26,2.入口段的热边界层薄,表面传热系数高。层流入口段长度:湍流时:,层流,湍流,第五章 对流换热,27,3.热边界条件有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。,第五章 对流换热,28,4.特征速
10、度及定性温度的确定 特征速度一般多取截面平均流速。定性温度多为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:,第五章 对流换热,29,式中,为质量流量;分别为出口、进口截面上 的平均温度;按对数平均温差计算:,第五章 对流换热,30,6.3.2.管内湍流换热实验关联式 换热计算时,先计算Re判断流态,再选用公式实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式:加热流体时,冷却流体时。式中:定性温度采用流体平均温度,特征长度为 管内径。实验验证范围:此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。,第五
11、章 对流换热,31,实际上来说,截面上的温度并不均匀,导致速度分布发生畸变。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。,计及流体热物性对换热的影响,用流体的平均温度 tf 和壁面温度tw作定性温度;引入温度修正系数:,热物性,对于液体:主要是粘性随温度而变化,其他条件相同的情况下,液体被加热时的表面传热系数(高于 还是 低于)液体被冷却时的值,对于气体:除了粘性,还有密度和热导率等,第五章 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,第五章 对流换热,34,(2)采用齐德泰特公式:定性
12、温度为流体平均温度(按壁温 确 定),管内径为特征长度。实验验证范围为:,第五章 对流换热,35,(3)采用米海耶夫公式:定性温度为流体平均温度,管内径为特征长度。实验验证范围为:,第五章 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 用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。式中:为槽道的流动截面积;P 为湿周长。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。,第五章 对流换热,37,(3)螺线管 螺线管强化了换热。对此有螺线 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。对于通常的工业设备中的尖角入 口,有以下入口
13、效应修正系数:,(3)弯管效应,修正系数:,(4)管壁粗糙度的影响,粗糙管:铸造管、冷拔管等,第五章 对流换热,40,以上所有方程仅适用于 的气体或液体。对 数很小的液态金属,换热规律完全不同。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证范围:特征长度为内径,定性温度为流体平均温度。,41,几点说明:(1)非圆形截面的槽道,采用当量直径de作为特征尺度(2)入口段效应则采用前面介绍的修正系数乘以各关联式(3)对于螺旋管中的二次环流的影响,也采用前面的修正 系数乘以各关联式即可(4)当Pr 0.6时,自己看p.167下,第五章 对流换热,42,6.3.3
14、.管槽内层流强制对流换热关联式层流充分发展对流换热的结果很多。,第五章 对流换热,43,续表,第五章 对流换热,44,第五章 对流换热,45,定性温度为流体平均温度(按壁温 确定),管内径为特征长度,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。,第五章 对流换热,46,6.4 外部流动强制对流换热实验关联式,外部流动的定义:,本节以横掠单管和横掠管束为例1 横掠单管换热实验关联式,横掠单管的定义:特性:除了边界层外,还会产生绕流脱体,从而产生回流、漩流和涡束,外部流动:换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展,不会受到邻近
15、壁面存在的限制。,第五章 对流换热,47,一.横掠单管换热实验关联式,横掠单管:流体沿着 垂直于管子轴线的方 向流过管子表面。流 动具有边界层特征,还会发生绕流脱体。,48,绕流脱体的产生过程,49,脱体的位置:取决于Re,即:,50,(5)外掠单管的当地对流换 热系数的变化可见,影响外部流动换热的因素,除了以前各项外,还要考虑绕流脱体的发生位置(6)平均表面传热系数,推荐采用分段幂次关联式:,第五章 对流换热,51,边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征。,式中,C和n的值见表55(圆管)和表56(非圆形截面),定性温度为边界层内的平均温度 tm特征长度为管外径;Re中的特征速度为通道来流
16、速度,第五章 对流换热,52,虽然局部表面传热系数变化比较复杂,但从平均表面换热系数看,渐变规律性很明显。,第五章 对流换热,53,可采用以下分段幂次关联式:式中:C及n的值见下表;定性温度为特征长度为管外径;数的特征速度为来流速度实验验证范围:,。,第五章 对流换热,54,对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式。注:指数C及n值见下表,表中示出的几何尺寸 是计算 数及 数时用的特征长度。,第五章 对流换热,55,上述公式对于实验数据一般需要分段整理。邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。式中:定性温度为 适用于 的情形。,第五章 对流换
17、热,56,二.横掠管束换热实验关联式,外掠管束在换热器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。,影响管束换热的因素除 数外,还有:叉排或顺排;管间距;管束排数等。,第五章 对流换热,57,气体横掠10排以上管束的实验关联式为 式中:定性温度为 特征长度为管外径d,数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。实验验证范围:C和m的值见下表。,后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。这种情况下,先给出不考虑排数影响的关联式,再采用管束排数的因素作为修正系数。,第五章 对流换热,58,第五章 对流换热,59,对于排数少于
18、10排的管束,平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排修正系数。的值引列在下表。,第五章 对流换热,60,茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很 宽的 数变化范围内更便于使用的公式。式中:定性温度为进出口流体平均流速;按管 束的平均壁温确定;数中的流速取管束 中最小截面的平均流速;特征长度为管子外 径。实验验证范围:,第五章 对流换热,61,62,对流换热通用的计算步骤:(1)判断是否有相变;(2)判断是强制对流还是自然对流;(3)确定换热表面的几何条件;(4)确定流体的物性;(4)判断是层流还是湍流;(5)根据 l/d 判断是入口段还是充分发展段(6)根据Re 和 Pr 选择关联式,计
19、算平均Nuf和hm(7)计算换热量,或已知换热量,计算壁温或换热面积等等;,63,特殊情况:在上面过程中,如果恰巧流体温度或壁温是待求量,则定性温度未知,此时,采用如下步骤:(1)假设一个温度,计算定性温度,确定物性(2)继续前面的(4)-(7),计算出一个前面假定的温度;(3)计算值与假定值进行比较,如果二者之差在给定的误差范围内,则说明我们假定的温度正确;(4)计算流体与壁面之间的温差,是否满足所选用的试验关联式的要求范围,(5)如果误差不能满足,或者不在所选关联式所要求的范围内,则重复进行(1)-(4),直到成功。,64,6-5 自然对流换热及实验关联式,1 自然对流现象及问题的提出2
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