第五章 對流換熱.doc

第五章 對流換熱本章內(nèi)容要求：1 、重點內(nèi)容：對流換熱及其影響因素；牛頓冷卻公式；用分析方法求解對流換熱問題的實質(zhì)；邊界層概念及其應用；相似原理；無相變換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及換熱量的計算 2 、掌握內(nèi)容：對流換熱及其影響因素；用分析方法求解對流換熱問題的實質(zhì) 3 、講述基本的內(nèi)容： 對流換熱概述； 對流換熱的數(shù)學描寫； 對流換熱的邊界層微分方程組； 邊界層積分方程組的求解及比擬理論； 相似原理及量綱分析； 相似原理的應用； 內(nèi)部流動強制對流換熱實驗關聯(lián)式； 外部流動強制對流換熱實驗關聯(lián)式； 自然對流換熱實驗關聯(lián)式1。對流換熱的概念：流體固體壁面；2對流換熱中，導熱和對流同時起作用；3對流換熱的影響因素：，h過程量；4對流換熱系數(shù)如何確定：、基本概念對流換熱：流體流過固體壁面情況下發(fā)生的熱量交換。傳熱機理：由于流體粘滯力的作用，使流體在固體壁面上處于不流動的狀態(tài)，所以使流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴散(熱傳導)，并不斷地被流體的流動而帶到下游（熱對流），因而對流換熱過程熱對流與導熱的綜合作用的結(jié)果。、對流換熱的特點）必須有流體的宏觀運動，必須有溫差；）對流換熱既有熱對流，也有熱傳導；）流體與壁面必須有直接接觸；）沒有熱量形式之間的轉(zhuǎn)化3、對流換熱的計算牛頓冷卻公式（1701年）流體被加熱時， 流體被冷卻時， 其中及分別為壁面溫度和流體溫度；用表示溫差（溫壓），并取為正，則牛頓冷卻公式表示為或其中h比例系數(shù)（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）單位。h的物理意義：單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。牛頓冷卻公式只是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義式，并沒有揭示表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與影響它的有關物理量之間的關系。對流換熱研究的基本任務就是要揭示這種關系， 用理論分析或?qū)嶒灥姆椒ㄍ瞥龈鞣N場合下表面換熱導數(shù)的關系式。5-1 對流換熱概述一、對流換熱現(xiàn)象換熱設備；暖氣片；電子元件的散熱等等傳熱機理：由于流體粘滯力的作用，使流體在固體壁面上處于不流動的狀態(tài)，所以使流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值。通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴散(熱傳導)，并不斷地被流體的流動而帶到下游（熱對流），因而對流換熱過程熱對流與導熱的綜合作用的結(jié)果。二、影響對流換熱的因素由于對流換熱過程是熱對流與導熱綜合作用的結(jié)果，所以對流換熱影響因素應 所有影響熱對流和導熱基本方式的因素、流動的起因和流態(tài)：h受迫h自然；h層流h紊流由于流動起因的不同，對流換熱分為強制對流換熱與自然對流換熱兩大類；自然對流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動（Free convection）強制對流：由外力（如：泵、風機、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動（Forced convection）粘性流體存在著層流及湍流兩種不同的流態(tài)，對流換熱分為層流對流換熱與湍流對流換熱兩大類；層流：整個流場呈一簇互相平行的流線（Laminar flow）湍流：流體質(zhì)點做復雜無規(guī)則的運動（Turbulent flow）、流體的種類及物理性質(zhì)：影響對流換熱的熱物性是（a）、p、（）、（容積膨脹系數(shù)）等等。（1）導熱系數(shù)：導熱系數(shù)大，流體內(nèi)和流體與壁之間的導熱熱阻小，換熱就強，入水的導熱導熱系數(shù)比空氣高20余倍，故水的傳熱系數(shù)h遠比空氣高。（2）比熱容與密度：比熱容與密度大的流體，單位體積攜帶更多的熱量，從而對流作用傳遞熱量的能量高。（3）粘度：粘度大，阻礙流體的運動，不利于熱對流。溫度對粘度影響較大，對應液體，粘度隨溫度增加而降低，氣體相反。由于流體內(nèi)各處溫度并不相等，以至各處的物性數(shù)值也不系統(tǒng)，為處理方便起見，一般引入定性溫度，將熱物性作為常數(shù)處理。3、流體有無相變：h單相1時，Pr=/a，a，粘性擴散 熱量擴散，速度邊界層厚度溫度邊界層厚度。當Pr1時，Pr=/a，a，粘性擴散 熱量擴散，速度邊界層厚度溫度邊界層厚度。這也可以從公式得出。5-5 相似原理及量綱分析通過實驗求取對流換熱的實用關聯(lián)式，仍然是傳熱研究中的一個重要而可靠的手段。然而，對于存在著許多影響因素的復雜物理現(xiàn)象，要找出眾多變量間的函數(shù)關系，比如，實驗的次數(shù)十分龐大。為了大大減少實驗次數(shù)，而且又可得出具有一定通用性的結(jié)果，必須在相似原理的指導下進行實驗。 學習相似原理時，應充分理解下面3個問題：實驗時應該測量那些量實驗后如何整理實驗數(shù)據(jù)所得結(jié)果可以推廣應用的條件是什么一、相似原理 用實驗方法求解對流換熱問題的思路1、物理量相似的性質(zhì)（1）用相同形式且具有相同內(nèi)容的微分方程時所描述的現(xiàn)象為同類現(xiàn)象，只有同類現(xiàn)象才能談相似。（2）彼此相似的現(xiàn)象，其同名準則數(shù)必定相等。（3）彼此相似的現(xiàn)象，其有關的物理量場分別相似實驗中只需測量各特征數(shù)所包含的物理量,避免了測量的盲目性，這就解決了實驗中測量哪些物理量的問題2、相似準則之間的關系（1）各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關系，如常物性流體外略平板對流換熱特征數(shù)：（2）整理實驗數(shù)據(jù)時，即按準則方程式的內(nèi)容進行。這就解決了實驗數(shù)據(jù)如何整理的問題3、判別現(xiàn)象相似的條件（1）單值性條件相似：初始條件、邊界條件、幾何條件、物理條件（2）同名的已定特征數(shù)相等（3）兩種現(xiàn)象相似是實驗關聯(lián)式可以推廣應用的條件二、獲得相似準則數(shù)的方法：相似分析法和量綱分析法1、相似分析法：在已知物理現(xiàn)象數(shù)學描述的基礎上，建立兩現(xiàn)象之間的一些列比例系數(shù)，尺寸相似倍數(shù)，并導出這些相似系數(shù)之間的關系，從而獲得無量綱量。 以圖5-13的對流換熱為例，現(xiàn)象1：現(xiàn)象2：與現(xiàn)象有關的各物理力量場應分別相似，即 相似倍數(shù)間的關系 獲得無量綱量及其關系：上式證明了“同名特征數(shù)對應相等”的物理現(xiàn)象相似的特性類似地：通過動量微分方程可得：能量微分方程：對自然對流的微分方程進行相應的分析，可得到一個新的無量綱數(shù)格拉曉夫數(shù)式中：a 流體的體積膨脹系數(shù) K-1 Gr 表征流體浮生力與粘性力的比值 2、量綱分析法：在已知相關物理量的前提下，采用量綱分析獲得無量綱量。（1）基本依據(jù)：p 定理，即一個表示n個物理量間關系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換為包含 n - r 個獨立的無量綱物理量群間的關系。r 指基本量綱的數(shù)目。（2）優(yōu)點: (a)方法簡單；(b) 在不知道微分方程的情況下，仍然可以獲得無量綱量例題：以圓管內(nèi)單相強制對流換熱為例(a)確定相關的物理量 n=7(b)確定基本量綱 r 國際單位制中的7個基本量：長度m，質(zhì)量kg，時間s，電流A，溫度K，物質(zhì)的量mol，發(fā)光強度cd因此，上面涉及了4個基本量綱：時間T，長度L，質(zhì)量M，溫度Q所以 r = 4n r = 3，即應該有三個無量綱量，因此，我們必須選定4個基本物理量，以與其它量組成三個無量綱量。我們選u,d,l,h為基本物理量(c)組成三個無量綱量 (d)求解待定指數(shù)，以p1 為例同理：于是有：單相、強制對流強制對流：自然對流換熱：混合對流換熱：Nu 待定特征數(shù)含有待求的 h）；Re，Pr，Gr 已定特征數(shù)按上述關聯(lián)式整理實驗數(shù)據(jù)，得到實用關聯(lián)式解決了實驗中實驗數(shù)據(jù)如何整理問題.5-6 相似原理的應用1.相似原理的重要應用：相似原理在傳熱學中的一個重要的應用是指導試驗的安排及試驗數(shù)據(jù)的整理（前面已講過）。相似原理的另一個重要應用是指導?；囼?。所謂?；囼?，是指用不同于實物幾何尺度的模型（在大多數(shù)情況下是縮小的模型）來研究實際裝置中所進行的物理過程的試驗。 2.使用特征方程時應注意的問題（1）特征長度應該按準則式規(guī)定的方式選取。如：管內(nèi)流動換熱：取直徑 d；流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動：取當量直徑作為特征尺度：（2）定性溫度應按該準則式規(guī)定的方式選取定性溫度：計算流體物性時所采用的溫度常用的選取方式有：通道內(nèi)部流動取進出口截面的平均值；外部流動取邊界層外的流體溫度或去這一溫度與壁面溫度的平均值。（3）準則方程不能任意推廣到得到該方程的實驗參數(shù)的范圍以外特征尺寸，特征流速和定性溫度我們在對流動換熱微分方程組進行無量綱化時，選定了對應變量的特征值，然后進行無量綱化的工作，這些特征參數(shù)是流場的代表性的數(shù)值，分別表征了流場的幾何特征、流動特征和換熱特征。這里再作一點分析。特征尺寸，它反映了流場的幾何特征，對于不同的流場特征尺寸的選擇是不同的。如，對于流體平行流過平板選擇沿流動方向上的長度尺寸；對于管內(nèi)流體流動選擇垂直于流動方向的管內(nèi)直徑；對于流體繞流圓柱體流動選擇流動方向上的圓柱體外直徑。特征流速，它反映了流體流場的流動特征，是可以參照的特征參數(shù)，且易于確定。不同的流場其流動特征不同，所選擇的特征流速是不同的。如，流體流過平板，來流速度被選擇為特征尺寸；流體管內(nèi)流動，管子截面上的平均流速可作為特征流速；流體繞流圓柱體流動，來流速度可選擇為特征流速。定性溫度，無量綱準則中的物性量是溫度的函數(shù)，確定物性量數(shù)值的溫度稱為定性溫度。對于不同的流場定性溫度的選擇是不同的，這得根據(jù)確定該溫度是否方便以及能否給換熱計算帶來較好的準確性來選取。一般的做法是，外部流動常選擇來流流體溫度和固體壁面溫度的算術平均值，稱為膜溫度；內(nèi)部流動常選擇管內(nèi)流體進出口溫度的平均值（算術平均值或?qū)?shù)平均值），當然也有例外。3 常見無量綱(準則數(shù))數(shù)的物理意義及表達式5-7 內(nèi)部流動強制對流換熱實驗關聯(lián)式1-1 一般分析當流體受迫在管內(nèi)對流換熱時，處理影響單相流體對流換熱的一般因素外，還應考慮到管內(nèi)輪流地及換熱的4個特殊因素：進口段與充分發(fā)展段；平均速度與平均溫度；物性場的不均勻性；管子的幾何特征一、進口段與充分發(fā)展段、流動進口段與充分發(fā)展段流體在管內(nèi)流動屬于內(nèi)部流動過程，其主要特征是，流動存在著兩個明顯的流動區(qū)段，即流動進口（或發(fā)展）區(qū)段和流動充分發(fā)展區(qū)段，如圖所示。在流體流入管內(nèi)與管壁面接觸時，由于流體黏性力的作用近壁會形成流動邊界層。隨著流體逐步向管內(nèi)深入，邊界層的厚度也會逐步增厚，當邊界層的厚度等于管子的半徑時，邊界層在管子中心處匯合，此時管內(nèi)流動成為定型流動。那么，從管子進口到邊界層匯合處的這段管長內(nèi)的流動稱為管內(nèi)流動進口區(qū)，而進入定型流動的區(qū)域稱為流動充分發(fā)展區(qū)。如果邊界層在管中心處匯合時流體流動仍然保持層流，那么進入充分發(fā)展區(qū)后也就繼續(xù)保持層流流動狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)層流流動過程。如果邊界層在管中心處匯合時流體已經(jīng)從層流流動完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?，那么進入充分發(fā)展區(qū)后就會維持紊流流動狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動過程。如果邊界層匯合時正處于流動從層流向紊流過渡的區(qū)域，那么其后的流動就會是過渡性的不穩(wěn)定的流動，稱為流體管內(nèi)過渡流動過程。層流速度分布 紊流速度分布層流進口區(qū) 層流充分發(fā)展區(qū)紊流進口區(qū) 紊流充分發(fā)展區(qū)（a）管內(nèi)層流流動（b）管內(nèi)紊流流動 圖流體管內(nèi)流動換熱示意圖實驗研究表明，當管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re2300時為層流流動，當管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re104時為紊流流動，而雷諾數(shù)在2300 Re104之間時管內(nèi)流動處于過渡流動區(qū)域。上述關系式中的雷諾數(shù)定義為,式中um為管內(nèi)流體的截面平均流速，d為管子的內(nèi)直徑，為流體的運動黏度。在流動充分發(fā)展段，流體的徑向流速分量為零，軸向速度不再變化，即、熱進口和充分發(fā)展段當流體溫度和管璧溫度不同時，在管子的進口區(qū)域同時也有熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管內(nèi)深入，熱邊界層最后也會在管中心匯合，從而進入熱充分發(fā)展的流動換熱區(qū)域，在熱邊界層匯合之前也就必然存在熱進口區(qū)段。隨著流動從層流變?yōu)槲闪?，熱邊界層亦有層流和紊流熱邊界層之分。實驗發(fā)現(xiàn)，常物性流體在常熱流和常壁溫邊界條件下，流體從進口開始經(jīng)歷熱進口段后即進入熱充分發(fā)展斷，熱充分發(fā)展段的特征是，管內(nèi)任意點的溫度組成的無量綱溫度隨官場保持不變，即因無量綱溫度僅僅是的函數(shù)，對求導，并當時，應用傅立葉導熱定律以及牛頓冷卻公式，可得到說明，常物性流體在熱充分發(fā)展斷的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)保持不變。、管內(nèi)流動進口段和熱進口段的長度對于層流和紊流是不一樣的。層流時流動進口段的長度l由如下關系決定：而層流時的熱進口段長度為,(對于)均勻壁溫。(對于)紊流時流動進口段和熱進口段長度幾乎是一樣的，有。層流熱進口段長度隨著pr增加而變長。在紊流情況下，當邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱?，將有一些回升，并迅速趨于不變，紊流時候的熱進口段較層流短得多，為管徑的10-45倍。由于在進口段流動邊界層和熱邊界層是逐步發(fā)展的，隨著邊界層的逐步增厚流體與管壁之間的換熱系數(shù)也從進口處的最大值逐步減小，當流動進入充分發(fā)展階段之后換熱系數(shù)趨于一個定值。如果邊界層在匯合之前從層流變?yōu)槲闪?，由于紊流中存在流體微團的動量和熱量的交換，換熱性能就比層流為好。隨著紊流邊界層的發(fā)展換熱系數(shù)又逐步減小，邊界層匯合后換熱系數(shù)同樣趨于一個定值。二管內(nèi)流體平均速度及平均溫度管內(nèi)受迫對流換熱中 Re 中的速度為管斷面平均速度，定型尺寸為管內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。 流體平均速度： 流體平均溫度： 在常熱流條件下，可取管的進出口斷面平均溫度的算術平均值作為流體平均溫度，即： ； 在常壁溫條件下，流體與壁面間的溫度差將沿管長按對數(shù)曲線規(guī)律變化，流體平均溫度用下式計算： ， 三物性場不均勻在換熱條件下，由于管中心和靠近管壁的流體溫度不同，因而管中心和管壁處的流體物性也會存在差異。特別是粘度的不同將導致有溫差時的速度場與等溫流動時有差別。如圖，若管內(nèi)為液體，液體的粘度是隨溫升而降低的，則當它被冷卻時壁面附近的液體粘度較管心處高，粘性力增大，速度將低于等溫流的情況，這時的速度分布將變成曲線 2 的情形。如果液體被加熱，則速度場將變?yōu)?3 的情形。顯然曲線 3 在壁面上的速度梯度大于曲線 2 。在流體平均溫度相同的條件下，這種現(xiàn)象將造成加熱液體時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于冷卻液體時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這就是不均勻物性場 ( 由冷卻或加熱引起 ) 的影響。對于氣體，情形與液體相反，它的粘度隨溫度的增加而增大，所以，由于熱流方向不同引起粘度變化對換熱的影響恰與液體相反。 四、管子的幾何特征對于非圓形管道如橢圓管、矩形管及套管間流動；定型尺寸由 d 改為當量直徑 d e ； 對于彎曲管道如螺旋形管，流體通道呈螺旋形。在彎曲的通道中流動產(chǎn)生的離心力，將在流場中形成二次環(huán)流，如圖，二次環(huán)流的路徑是沿管徑流向外側(cè)，再沿管壁流向內(nèi)側(cè)，此二次環(huán)流與主流垂直，它增加了對邊界層的擾動，有利于換熱，而且管的彎曲半徑越小，二次環(huán)流的影響越大。 1-2管內(nèi)受迫對流換熱計算在分析了管內(nèi)流體流動換熱的一些特征之后，我們就可以對不同流動狀態(tài)的管內(nèi)流動換熱進行換熱計算。這一工作可以在給出相應的準則關系式的基礎上進行。管內(nèi)紊流換熱準則關系式當管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re104時，管內(nèi)流體處于旺盛的紊流狀態(tài)。此時的換熱計算可采用下面推薦的準則關系式。（Dittus-Boelter）準則關系式,422式中，,可見特征尺寸為d，特征流速為um，流體物性量采用的定性溫度是，為流體的平均溫度；流體被加熱，而流體被冷卻。公式422的適用范圍是，平直管且管長直徑之比;溫差較小，所謂小溫差是指對于氣體,對于水，對于油類流體；雷諾數(shù)普朗特數(shù)。公式的修正1）溫差修正液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱恒定溫度的情況管內(nèi)流動溫度對速度分布的影響示意圖當流體與管壁之間的溫差較大時，因管截面上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的影響會發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變化導致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，進而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。流體截面速度分布受溫度分布影響的示意圖可從圖417中觀察到。因此，在大溫差情況下計算換熱時準則式右邊要乘以物性修正項。對于液體乘以，液體加熱n=0.11，液體冷卻n=0.25(物性量的下標表示在什么溫度下取值)；氣體。2）彎管修正彎曲管道流動情況示意圖如果管子不是平直管，這對流體流動和換熱也會產(chǎn)生影響。在彎曲的管道中流動的流體，在彎曲處由于離心力的作用會形成垂直于流動方向的二次流動，從而加強流體的擾動，帶來換熱的增強。如果管道彎曲的部分比較少，這種影響可以忽略不計。圖418顯示了彎曲管的流動情況。彎曲管道內(nèi)的流體流動換熱必須在平直管計算結(jié)果的基礎上乘以一個大于1的修正系數(shù)，即。對于流體為氣體時;對于流體為液體時；式中R為彎曲管的曲率半徑。3）入口修正當管子的長徑比l/d60時，屬于短管內(nèi)流動換熱，進口段的影響不能忽視。此時亦應在按照長管計算出結(jié)果的基礎上乘以相應的修正系數(shù)，即。對于尖角入口的短管，推薦的入口效應修正系數(shù)為。2. 管內(nèi)層流換熱計算公式當雷諾數(shù)Re2300時管內(nèi)流動處于層流狀態(tài)，由于層流時流體的進口段比較長，因而管長的影響通常直接從計算公式中體現(xiàn)出來。這里給出Sieder-Tate的準則關系式：。此式的適用范圍是：,同樣是用于平直管。式中準則的特征尺寸、特征流速和定性溫度都仍然與關系式4-22相同。3. 管內(nèi)過渡流動區(qū)換熱計算公式當雷諾數(shù)處于Re2300104的范圍內(nèi)時，管內(nèi)流動屬于層流到紊流的過渡流動狀態(tài)，流動十分不穩(wěn)定，從而給流動換熱計算帶來較大的困難。因此，工程上常常避免采用管內(nèi)過渡流動區(qū)段。這里推薦如下兩個準則關系式：，此式用于氣體，其使用范圍為；，此式用于液體，其使用范圍為。以上兩式準則的特征尺寸、特征流速和定性溫度均與上關系式相同。5-8 外部流動強制對流換熱實驗關聯(lián)式外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。橫掠單管：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。外掠單圓管流動換熱時，應考慮脫體現(xiàn)象等特殊因素。 流體橫向繞流圓柱體的流動如圖所示。按照勢流理論，流體在圓柱體的前部流速會逐步增大而流體的壓力會逐步減?。涣黧w在圓柱體的后部流速會逐步減小而流體的壓力會逐步增大。但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的前部會形成流動邊界層，速度會從勢流流速逐步改變到壁面上的零速度，這種速度改變是以消耗流體動量為代價的，這樣的過程特征一直會保持到勢流流速達到最大值。在其后的增壓減速過程中，流體中由壓力轉(zhuǎn)變來的動量會逐步地再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌龅膲毫?，此時近壁流體不但會因動量的耗散而沒有足夠的動量轉(zhuǎn)化為壓力，而且和會在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動，從而導致流體在邊界層發(fā)生分離。流體外掠一切非流線型物體時，都會發(fā)生邊界層分離。例如汽車行駛時，車后往往有回流和漩渦，會揚起灰塵，因此汽車后面的玻璃是固定的。實際上，由于邊界層的發(fā)展，勢流區(qū)的外形已經(jīng)不是圓形，因而使流動的增壓減速過程提前，也就使流動分離位置提前。如果流體在分離之前流動邊界層已經(jīng)從層流發(fā)展到紊流，由于紊流邊界層中紊流動量交換的加強，從而使邊界層流動的分離向后推移。觀測給出，繞流圓柱的流動當Re105時流動分離點在處。這里定義的雷諾數(shù)為，式中，u為來流速度，d為圓柱體外直徑。1 、 流動邊界層的形成與發(fā)展 Re10 蠕動流 Re 1.5 10 5 層流 脫體現(xiàn)象 尾跡流 Re 1.5 10 5 層流 紊流 脫體現(xiàn)象 尾跡流 脫體現(xiàn)象： 流體的壓強在管的前半部遞降，而后又趨回升。與壓強的變化相應，主流速度則先逐漸增加，面后又逐漸降低。特別要注意的是在壓強增大的區(qū)域內(nèi)，流體需靠本身的動能來克服壓強的增長才能向前流動，而靠近壁面的流體由于粘滯力的影響速度比較低，相應的動能也較小，其結(jié)果是從壁面的某一位置開始速度梯度達到 0 壁面流體停止向前流動，并隨即向相反的方向流動。以致從 0 點開始壁面流體停止向前流動，并隨即向相反的方向流動，該點稱為繞流脫體的起點 ( 或稱分離點 ) 。 2 、換熱特征 這樣一種流場的流動特征必然會影響到流場的換熱性能。圖422給出了繞流圓柱體的換熱系數(shù)沿著圓柱體壁面變化的情況。在圓柱體的前端處換熱系數(shù)最大，而在分離點處換熱系數(shù)最?。蝗绻谶吔鐚訌膶恿髯?yōu)槲闪?，那么轉(zhuǎn)變點處有一個換熱系數(shù)的最低點，紊流邊界層的分離點是另一個換熱系數(shù)的最低點。從中不難看出，沿著圓柱體表面的換熱系數(shù)是變化的，且變化較為劇烈。總體而言，換熱性能在分離點前要比分離點后要好。換熱性能的變化會在等熱流加熱的情況下引起圓柱體表面的溫度變化，而這種變化在高溫下會造成圓柱體（或管壁）較大的內(nèi)應力，從而影響換熱設備的安全運行。但是，對于工程上的大多數(shù)換熱問題，只需要了解其總的換熱性能，因而這里僅給出計算流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)的準則關系式。壁面邊界層流動狀況，決定了換熱的特征。右圖為常熱流條件下圓管壁面局部換熱 Nu 的分布，曲線都表明，從管正面停滯點 =0 o 開始，由于層流邊界層厚度的增加，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降。圖中 Re 最低的兩個工況，它們在脫體點前一直保持層流，在脫體點附近出現(xiàn) Nu的最低值。隨后因脫體區(qū)渦旋的混亂運動， Nu趨回升。圖中 Re 較高的其他工況在壁面邊界層發(fā)生脫體時已是紊流，Nu曲線出現(xiàn)了兩次低谷，第一次相當于層流到紊流的轉(zhuǎn)變區(qū)，另一次則發(fā)生在紊流邊界層與壁脫離的地方。圖中數(shù)據(jù)表明在高 Re 情況下，脫體點可能推遲到 =140 0 。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最低的地方，換熱最差。 常用的準則關系式的形式為： 式中，準則的特征流速為通道來流速度，特征尺寸為圓柱體外直徑d；定性溫度為壁面和來流速度的平均值。四、外掠管束對流換熱 外掠管束在換熱器中最為常見。管束（長圓柱體束）是由多根長管（長圓柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成，常常是熱交換設備的組件，工程上使用管束要比使用單管為多。管束的排列方式很多，最常見的有順排和叉排兩種。不管哪一種排列方式，流動情況都比單管時要復雜，這是因為管子之間相對緊密的排列造成各自流場間的相互影響，從而也就影響到流體與管壁之間的換熱。流體流過順排或叉排管束的第一排管面時的流動和換熱情況與流過單管的情形是相似的。但從第二排開始，順排時管子的前后都處于前一排管的回流區(qū)中，流動和換熱不同于第一排管；對于叉排排列，盡管從第二排管以后，流動情況與單管時看似相同，但由于前排造成的流場擾動會使流動和換熱情形差別較大。這些都導致后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排管以后各排管之間的流動換熱特征就沒有多少差異了。但是前幾排管換熱性能上的差異，對于整個管束換熱性能的影響， ddS1S1S2S2umaxuutt(1)叉排管束(2)順排管束流體繞流管束時的流動特征及幾何尺寸示意圖會隨著管排數(shù)的增加而減弱。實驗結(jié)果表明，當管排數(shù)超過10排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強、阻力損失大并難于清洗。影響管束換熱的因素除Re、Pr數(shù)外，還有：排列方式，叉排或順排；管間距；管束排數(shù)等特殊因素。 1 、 流動邊界層 層流： Re2 10 5 。 如圖所示，順排和叉排中流體的擾動強度是不同的，順排弱于叉排；管間距不同擾動強度也不同；另外除第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，流動狀況比較復雜。 2 、換熱特征 一般而言，順排換熱弱于叉排；因前排引起的擾動加強了后排的換熱，所以各排的換熱將逐排增大，直到 20 排左右這種影響才消失。 一般而言，在相同的條件下，叉排情況下的換熱系數(shù)要比順排大，而相應的流動阻力也比順排時大。如果綜合考慮換熱性能和流動特性兩種排列方式是相差不大的，關鍵是選擇合理的使用范圍。因此，在采用什么排列方式時除了實際的運行要求之外，還要通過可用能損失率分析來進行兩種排列方式的流動與換熱綜合性能的分析比較，最后獲得各種排列方式最佳的運行參數(shù)和幾何尺寸。5-9自然對流換熱及實驗關聯(lián)式重點內(nèi)容： 各類自然對流換熱現(xiàn)象流動及換熱特征。 1 自然對流產(chǎn)生的原因 自然對流是流場溫度分布不均勻?qū)е碌拿芏炔痪鶆蚍植迹谥亓龅淖饔孟庐a(chǎn)生的流體運動過程。而自然對流換熱則是流體與固體壁面之間因溫度不同引起的自然對流時發(fā)生的熱量交換過程。引起自然對流的浮升力實際上來自流體的密度梯度以及與該密度梯度成正比的體積力 ( 或稱為徹體力 ) 的聯(lián)合作用。在地球引力場范圍內(nèi)，最普遍存在的體積力是重力。當然還可以是由旋轉(zhuǎn)運動導致的離心力、電磁場中的電磁力等。造成介質(zhì)密度梯度的原因也有多種，其中最主要的是溫度差。 在自然界、在現(xiàn)實生活中、以及在工程上，物體的自然冷卻或加熱都是以自然對流換熱的方式實現(xiàn)的。例如，在偏僻地區(qū)，一些平時無人看管的小變電站或電話中繼站等，其發(fā)熱設備往往靠自然對流冷卻。此外，管道、輸電線的散熱、電子器件的散熱、暖氣片對室內(nèi)空氣的散熱以及海洋環(huán)流、大氣環(huán)流等都與自然對流有關。由于自然對流換熱的換熱強度比較弱，尤其是在空氣環(huán)境下，同時還存在著輻射換熱，而且在溫度比較高的情況下，輻射換熱的強度與自然對流換熱的強度處于相同的數(shù)量級。因此，在自然對流換熱的實際計算中輻射換熱是不可隨意忽略的。2 自然對流換熱的分類 自然對流換熱問題常常按流體所處空間的特點分成兩大類：如果流體處于相對很大的空間，邊界層的發(fā)展不受限制和干擾，稱為無限空間的自然對流換熱；若流體空間相對狹小，邊界層無法自由展開，則稱為有限空間的自然對流換熱。 一、 無限空間自然對流換熱 流動及換熱特征 ( 以豎壁為例 ) 1 、 流動邊界層的形成與發(fā)展 如圖所示，考慮塊等溫豎板周圍空氣的自然對流運動。設板溫高于流體的溫度。板附近的流體被加熱因而密度降低 ( 與遠處未受影響的流體相比 ) ，向上運動并在板表面形成一個很薄的邊界層。如果豎板足夠高，到一定位置也會從層流發(fā)展成為湍流邊界層。自然對流湍流時的換熱當然也明顯強于層流。自然對流邊界層中的