傳熱學(xué) 華科 第五章

1、2021-6-241 3-3 一厚一厚10 mm的大平壁的大平壁(滿足集總參數(shù)分析滿足集總參數(shù)分析 法求解的條件法求解的條件)，初溫為，初溫為300，密度為，密度為7800 kg/m3，比熱容為，比熱容為0.47 kJ/(kg )，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù) 為為45 W/(m K)，一側(cè)有恒定熱流，一側(cè)有恒定熱流q = 100 W/m2流入，另一側(cè)與流入，另一側(cè)與20的空氣對(duì)流換熱，的空氣對(duì)流換熱， 換熱系數(shù)為換熱系數(shù)為70 W/(m2 K)。試求。試求3min后平壁的后平壁的 溫度。溫度。 解：解：根據(jù)能量守恒原理，有根據(jù)能量守恒原理，有 2021-6-242 對(duì)單位面積而言，其體積為對(duì)單位面積而

2、言，其體積為 )( tthAqA d dt cV 3 01. 0101mmmSAV )20(7010001. 01047. 07800 3 t d dt 代入其它參數(shù)，可得代入其它參數(shù)，可得 )7/150(7036660t d dt )7/150( 3666 7 t d dt 分離變量積分分離變量積分 2021-6-243 令令 0300 3666 7 7/150 )7/150( d t td t 3666 7 | )7/150ln( 300 t t 975.218180t 2021-6-244 第五章第五章 對(duì)流換熱計(jì)算對(duì)流換熱計(jì)算 5-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算內(nèi)流體受迫對(duì)流換

3、熱計(jì)算 5-2 流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算 5-3 自然對(duì)流換熱計(jì)算自然對(duì)流換熱計(jì)算 5-4 液體沸騰換熱計(jì)算液體沸騰換熱計(jì)算 5-5 蒸汽凝結(jié)換熱計(jì)算蒸汽凝結(jié)換熱計(jì)算 2021-6-245 5-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算 1 管管(槽槽)內(nèi)流動(dòng)換熱的特點(diǎn)內(nèi)流動(dòng)換熱的特點(diǎn) 流體在管內(nèi)流動(dòng)屬于內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程，其流體在管內(nèi)流動(dòng)屬于內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程，其主要主要 特征是，流動(dòng)存在著兩個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)段，特征是，流動(dòng)存在著兩個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)段， 即即流動(dòng)進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段流動(dòng)進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段和和流動(dòng)充分發(fā)展流動(dòng)充分發(fā)展 區(qū)段區(qū)段 2021-6-246

4、進(jìn)口區(qū)：流動(dòng)和熱邊界層從零開(kāi)始增長(zhǎng)，直到進(jìn)口區(qū)：流動(dòng)和熱邊界層從零開(kāi)始增長(zhǎng)，直到 匯合至管子中心線。管子進(jìn)口到邊界層匯合處匯合至管子中心線。管子進(jìn)口到邊界層匯合處 的這段管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)稱為管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口區(qū)的這段管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)稱為管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口區(qū) 充分發(fā)展區(qū)：邊界層匯合于管子中心線以后的充分發(fā)展區(qū)：邊界層匯合于管子中心線以后的 區(qū)域，即進(jìn)入定型流動(dòng)的區(qū)域。區(qū)域，即進(jìn)入定型流動(dòng)的區(qū)域。 2021-6-247 如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體流動(dòng)仍如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體流動(dòng)仍 然保持層流，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后也就然保持層流，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后也就 繼續(xù)保持層流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管繼續(xù)保持層流流動(dòng)

5、狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管 內(nèi)層流流動(dòng)過(guò)程。內(nèi)層流流動(dòng)過(guò)程。 2021-6-248 如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體已經(jīng)從如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體已經(jīng)從 層流流動(dòng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，那么進(jìn)入層流流動(dòng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，那么進(jìn)入 充分發(fā)展區(qū)后就會(huì)維持紊流流動(dòng)狀態(tài)，從充分發(fā)展區(qū)后就會(huì)維持紊流流動(dòng)狀態(tài)，從 而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動(dòng)過(guò)程。而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動(dòng)過(guò)程。 紊流區(qū) 過(guò)渡區(qū)），（ 層流區(qū) 10Re 10 2200Re 2200Re 4 4 dum 2021-6-249 當(dāng)流體溫度和管壁溫度不同時(shí)，在管子的進(jìn)口當(dāng)流體溫度和管壁溫度不同時(shí)，在管子的進(jìn)口 區(qū)域同時(shí)也有熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管區(qū)域同時(shí)

6、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(huì)在管中心匯合，從內(nèi)深入，熱邊界層最后也會(huì)在管中心匯合，從 而進(jìn)入熱充分發(fā)展的流動(dòng)換熱區(qū)域，在熱邊界而進(jìn)入熱充分發(fā)展的流動(dòng)換熱區(qū)域，在熱邊界 層匯合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。層匯合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。 隨著流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪?，隨著流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪鳎瑹徇吔鐚右嘤袑恿鳠徇吔鐚右嘤袑恿?和紊流熱邊界層之分和紊流熱邊界層之分。 2021-6-2410 層流層流 管內(nèi)流動(dòng)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化管內(nèi)流動(dòng)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化 2021-6-2411 湍流湍流 管內(nèi)流動(dòng)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化（湍流）管內(nèi)流動(dòng)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化（湍流） 2

7、021-6-2412 流動(dòng)進(jìn)口段：流動(dòng)進(jìn)口段：50 : Re;06. 0 d L d L 紊流層流： 熱進(jìn)口段長(zhǎng)度：熱進(jìn)口段長(zhǎng)度： PrRe07. 0 Pr;Re055. 0 d L d L ww q t T t 層流： 50 : d L 紊流 2021-6-2413 熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。 對(duì)于管壁熱流為常數(shù)時(shí)，流體溫度隨流動(dòng)方對(duì)于管壁熱流為常數(shù)時(shí)，流體溫度隨流動(dòng)方 向線性變化，且與管壁之間的溫差保持不變，向線性變化，且與管壁之間的溫差保持不變， 有有 x t 入口段入口段充分發(fā)展段充分發(fā)展段 tf tw 恒熱流時(shí)恒熱流時(shí) t=C ducxq

8、tt mpwff 4 c c A p A p f udAc utdAc t 管內(nèi)流體截面上的管內(nèi)流體截面上的 平均溫度平均溫度 流體進(jìn)口截流體進(jìn)口截 面平均溫度面平均溫度 2021-6-2414 x t tw = C tf 恒壁溫時(shí)恒壁溫時(shí) 當(dāng)管壁溫度為常數(shù)時(shí)，流當(dāng)管壁溫度為常數(shù)時(shí)，流 體的溫度隨流動(dòng)方向按如體的溫度隨流動(dòng)方向按如 下指數(shù)規(guī)律變化下指數(shù)規(guī)律變化 d x Sttttt wfwf 4exp)( 利用在整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)換熱平衡關(guān)系式利用在整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)換熱平衡關(guān)系式 2 (/4) pmffm dc utth dl t 可得出計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均溫差表達(dá)式可得出計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平

9、均溫差表達(dá)式 wf wf wfwf m tt tt tttt t ln 2021-6-2415 wfm ttt2/ )( fff ttt wf wf wfwf m tt tt tttt t ln 其中，其中，tf, tf”分別為出口、進(jìn)口截面上的平均分別為出口、進(jìn)口截面上的平均 溫度。溫度。 當(dāng)進(jìn)口與出口截面上的溫差比當(dāng)進(jìn)口與出口截面上的溫差比(tw - tf)/(tw - tf) 在在0.5 2之間時(shí)，可按如下算術(shù)平均溫差計(jì)算，之間時(shí)，可按如下算術(shù)平均溫差計(jì)算， 結(jié)果的差別在結(jié)果的差別在4%以內(nèi)。以內(nèi)。 2021-6-2416 2 管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式 管

10、內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re104時(shí)，管內(nèi)流體處于旺盛時(shí)，管內(nèi)流體處于旺盛 的紊流狀態(tài)。此時(shí)的換熱計(jì)算可采用迪圖斯的紊流狀態(tài)。此時(shí)的換熱計(jì)算可采用迪圖斯-貝爾特貝爾特 （Dittus-Boelter）準(zhǔn)則關(guān)系式）準(zhǔn)則關(guān)系式 n NuPrRe023. 0 8 . 0 特征流速為um 2021-6-2417 l當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時(shí)，因管截面當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時(shí)，因管截面 上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的 影響會(huì)發(fā)生改變，尤其是流體影響會(huì)發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變黏性隨溫度

11、的變 化化導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變， 進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。 液體被加熱或氣體被冷卻液體被加熱或氣體被冷卻 液體被冷卻或氣體被加熱液體被冷卻或氣體被加熱 恒定溫度的情況恒定溫度的情況 管內(nèi)流動(dòng)溫度對(duì)速度分布的影響示意圖管內(nèi)流動(dòng)溫度對(duì)速度分布的影響示意圖 2021-6-2418 因此，溫差較大情況下計(jì)算換熱時(shí)準(zhǔn)則式右邊因此，溫差較大情況下計(jì)算換熱時(shí)準(zhǔn)則式右邊 要乘以物性修正項(xiàng)要乘以物性修正項(xiàng) 。 對(duì)于液體乘以對(duì)于液體乘以 n wf 液體被加熱液體被加熱n=0.11，液體被冷卻，液體被冷卻n

12、=0.25(物性量物性量 的下標(biāo)表示取值的定性溫度的下標(biāo)表示取值的定性溫度) 對(duì)于氣體則乘以對(duì)于氣體則乘以: n wf TT 氣體被加熱氣體被加熱n=0.55，氣體被冷卻，氣體被冷卻n=0.0（此處（此處 溫度用大寫(xiě)字符是表示取絕對(duì)溫標(biāo)下的數(shù)溫度用大寫(xiě)字符是表示取絕對(duì)溫標(biāo)下的數(shù) 值）。值）。 2021-6-2419 彎曲管道流動(dòng)情況示意圖彎曲管道流動(dòng)情況示意圖 l彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于 離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次 流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來(lái)?yè)Q熱的增流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來(lái)?yè)Q熱的增 強(qiáng)。

13、強(qiáng)。 為什么工業(yè)上強(qiáng) 化換熱常常會(huì)采 用螺旋管？ 2021-6-2420 在平直管計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)大于在平直管計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)大于1的的 修正系數(shù)修正系數(shù) CR。 流體為氣體時(shí)流體為氣體時(shí) ： CR1+1.77(d/R) 流體為液體時(shí)流體為液體時(shí) ： CR1+10.3(d/R)3 R為彎曲管的曲率半徑為彎曲管的曲率半徑 l當(dāng)管子的長(zhǎng)徑比當(dāng)管子的長(zhǎng)徑比l/d60時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng) 換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時(shí)亦應(yīng)在換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時(shí)亦應(yīng)在 按照長(zhǎng)管計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修按照長(zhǎng)管計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修 正系數(shù)正系數(shù)Cl。 。圖 圖

14、5-5顯示了不同的入口條件對(duì)入顯示了不同的入口條件對(duì)入 口段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響口段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響 2021-6-2421 合理利用入口段效應(yīng)可以增強(qiáng)換熱合理利用入口段效應(yīng)可以增強(qiáng)換熱 2021-6-2422 2021-6-2423 2021-6-2424 管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 適用范圍適用范圍 ：Re0.6，RePr d/L10, 用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性溫度用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性溫度 與管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式相同。與管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式相同。 當(dāng)雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)Re2300時(shí)管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)，時(shí)管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)， 由于層流

15、時(shí)流體的進(jìn)口段比較長(zhǎng)，因而管長(zhǎng)由于層流時(shí)流體的進(jìn)口段比較長(zhǎng)，因而管長(zhǎng) 的影響通常直接從計(jì)算公式中體現(xiàn)出來(lái)。這的影響通常直接從計(jì)算公式中體現(xiàn)出來(lái)。這 里給出齊德泰特里給出齊德泰特Sieder-Tate的準(zhǔn)則關(guān)系式的準(zhǔn)則關(guān)系式： 14. 0 3 1 PrRe86. 1 w f l d Nu 2021-6-2425 管內(nèi)過(guò)渡流區(qū)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)過(guò)渡流區(qū)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 當(dāng)雷諾數(shù)處于當(dāng)雷諾數(shù)處于Re2300104的范圍內(nèi)時(shí)，管內(nèi)的范圍內(nèi)時(shí)，管內(nèi) 流動(dòng)屬于層流到紊流的過(guò)渡流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)流動(dòng)屬于層流到紊流的過(guò)渡流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng) 十分不穩(wěn)定。工程上常常避免采用管內(nèi)過(guò)渡十分不穩(wěn)定。工程上常常避免采用管內(nèi)過(guò)渡 流

16、動(dòng)區(qū)段。流動(dòng)區(qū)段。 45. 0 3 2 4 . 08 . 0 1Pr100Re0214. 0 w f T T l d Nu 5 . 15 . 05 . 66 . 0Pr100002200Re w f T T ， 氣體氣體: 2021-6-2426 11. 0 3 2 4 . 087. 0 Pr Pr 1Pr280Re012. 0 w f l d Nu 2005. 0 Pr Pr 5005 . 1Pr100002300Re w f ， 液體液體: 2021-6-2427 增強(qiáng)換熱的方法增強(qiáng)換熱的方法 2021-6-2428 例例1 空氣以空氣以2m/s的速度在內(nèi)徑為的速度在內(nèi)徑為10 mm的管內(nèi)

17、流動(dòng)，的管內(nèi)流動(dòng)， 入口處空氣的溫度為入口處空氣的溫度為20，管壁溫度為，管壁溫度為120，試確，試確 定將空氣加熱至定將空氣加熱至60所需管子的長(zhǎng)度。所需管子的長(zhǎng)度。 解解 定性溫度為定性溫度為tf =(20+60)/2=40，查出空氣的物性，查出空氣的物性 參數(shù)為：參數(shù)為： =1.128 kg/m 3， ，cp=1.005 kJ/kg ， =2.76 10-2 W/m ， f=19.1 10-6 kg/m s，Pr=0.699。 而當(dāng)而當(dāng)tw =120時(shí)，查得時(shí)，查得 w =22.8 10-6 kg/m s。 雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re=1.18 10310 14. 0 3 1 PrRe86. 1

18、w f l d Nu 2021-6-2429 由能量平衡有由能量平衡有: )( 4 )( 2 ffPmfw ttc d uttdLh 代入數(shù)據(jù)得代入數(shù)據(jù)得hL=2.83 比較上述兩步得到的結(jié)果，有比較上述兩步得到的結(jié)果，有10.12L-1/3 L=2.83 ，最，最 后解得后解得L=0.148 m。由于。由于L0.825 m，前述假設(shè)是正，前述假設(shè)是正 確的。確的。 得得h=10.12L-1/3。 例題例題5-2 ，假設(shè)，求解，核對(duì)，重復(fù)計(jì)算，假設(shè)，求解，核對(duì)，重復(fù)計(jì)算 2021-6-2430 5-2 流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算 1 流體平行流過(guò)平板時(shí)的換熱計(jì)算流體平

19、行流過(guò)平板時(shí)的換熱計(jì)算 層流流動(dòng)層流流動(dòng) 紊流流動(dòng)紊流流動(dòng) 0 xc qw x 流體流過(guò)平板換熱示意圖流體流過(guò)平板換熱示意圖 邊界層層流流動(dòng)邊界層層流流動(dòng)換換 熱可以通過(guò)熱可以通過(guò)邊界層邊界層 微分方程組的求解微分方程組的求解 獲得相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)獲得相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān) 系式系式 而而紊流問(wèn)題紊流問(wèn)題也可以通過(guò)求解也可以通過(guò)求解邊界層積分方程邊界層積分方程而而 得出相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式。得出相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式。 2021-6-2431 當(dāng)當(dāng)雷諾數(shù)雷諾數(shù) 時(shí)，流動(dòng)邊界層為層時(shí)，流動(dòng)邊界層為層 流流動(dòng)流流動(dòng)，其換熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下：，其換熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下： 5 105Re xu 局部換熱系數(shù)計(jì)算式局部換

20、熱系數(shù)計(jì)算式 3 1 5 . 0 PrRe332. 0 x Nu 平均換熱系數(shù)計(jì)算式平均換熱系數(shù)計(jì)算式 3 1 5 . 0 PrRe664. 0 x Nu 當(dāng)當(dāng)雷諾數(shù)雷諾數(shù) 時(shí)，流動(dòng)邊界層時(shí)，流動(dòng)邊界層 流動(dòng)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)流動(dòng)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，如果將整個(gè)平板都視為，如果將整個(gè)平板都視為 紊流狀態(tài)，其換熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下：紊流狀態(tài)，其換熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下： 5 105Re xu 局部換熱系數(shù)計(jì)算式局部換熱系數(shù)計(jì)算式 3 1 80 PrRe029. 0 。 x Nu 平均換熱系數(shù)計(jì)算式平均換熱系數(shù)計(jì)算式 3 1 80 PrRe037. 0 。 x Nu 2021-6-2432 實(shí)際上流體流過(guò)平板

21、時(shí)都是逐步從層流過(guò)渡實(shí)際上流體流過(guò)平板時(shí)都是逐步從層流過(guò)渡 到紊流的，因而計(jì)算整個(gè)平板的換熱時(shí)，必到紊流的，因而計(jì)算整個(gè)平板的換熱時(shí)，必 須將前面一段按照層流計(jì)算，而后面一段按須將前面一段按照層流計(jì)算，而后面一段按 照紊流計(jì)算。于是綜合計(jì)算關(guān)系式應(yīng)為，照紊流計(jì)算。于是綜合計(jì)算關(guān)系式應(yīng)為， 3 1 8 . 08 . 05 . 0 PrReRe037. 0Re664. 0 c cxx x x Nu 以上準(zhǔn)則關(guān)系式中的無(wú)量綱準(zhǔn)則的特征尺以上準(zhǔn)則關(guān)系式中的無(wú)量綱準(zhǔn)則的特征尺 寸為寸為x，表示平板前沿的，表示平板前沿的x=0到平板到平板x處的距處的距 離，如果計(jì)算整個(gè)平板的換熱，則離，如果計(jì)算整個(gè)平板的

22、換熱，則特征尺特征尺 寸寸x=L；特征流速特征流速為為u；而；而定性溫度定性溫度為膜溫為膜溫 度度 2 ttt wm 2021-6-2433 例題例題:溫度溫度20的空氣，以的空氣，以10 m/s的速度流過(guò)平板，的速度流過(guò)平板， 分別確定從平板前緣算起，進(jìn)入過(guò)渡區(qū)（分別確定從平板前緣算起，進(jìn)入過(guò)渡區(qū)（Re1=2 105） 和進(jìn)入紊流區(qū)（和進(jìn)入紊流區(qū)（Re2=5 105）的距離。）的距離。 解解 查出查出20時(shí)空氣的運(yùn)動(dòng)粘度為時(shí)空氣的運(yùn)動(dòng)粘度為 =15.06 10-6 m2/s 假設(shè)進(jìn)入過(guò)渡區(qū)的距離為假設(shè)進(jìn)入過(guò)渡區(qū)的距離為L(zhǎng)1， 由雷諾數(shù)由雷諾數(shù)Re1=uL1/ =2 105, 計(jì)算出計(jì)算出L1

23、=0.30m； 假設(shè)進(jìn)入紊流區(qū)的距離為假設(shè)進(jìn)入紊流區(qū)的距離為L(zhǎng)2, 由雷諾數(shù)由雷諾數(shù)Re2= uL2/ =5 105, 計(jì)算出計(jì)算出L2=0.75m。 2021-6-2434 分離流動(dòng)分離流動(dòng) 速度分布速度分布 邊界層速度分布邊界層速度分布 u t t 流體繞流圓柱體流體繞流圓柱體 按照勢(shì)流理論，流體在按照勢(shì)流理論，流體在 圓柱體的前部流速會(huì)逐圓柱體的前部流速會(huì)逐 步增大而壓力會(huì)逐步減步增大而壓力會(huì)逐步減 小；流體在圓柱體的后小；流體在圓柱體的后 部流速會(huì)逐步減小而壓部流速會(huì)逐步減小而壓 力會(huì)逐步增大。力會(huì)逐步增大。 但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的

24、 前部會(huì)形成流動(dòng)邊界層。當(dāng)壓力開(kāi)始上升時(shí)，前部會(huì)形成流動(dòng)邊界層。當(dāng)壓力開(kāi)始上升時(shí)， 邊界層內(nèi)流體靠本身的動(dòng)量克服壓力增長(zhǎng)而邊界層內(nèi)流體靠本身的動(dòng)量克服壓力增長(zhǎng)而 向前流動(dòng)，速度分布趨于平緩。向前流動(dòng)，速度分布趨于平緩。 2 流體橫向掠過(guò)圓柱體流體橫向掠過(guò)圓柱體(單管單管)時(shí)的換熱計(jì)算時(shí)的換熱計(jì)算 2021-6-2435 近壁的流體層由于動(dòng)量近壁的流體層由于動(dòng)量 不大，在克服上升的壓不大，在克服上升的壓 力時(shí)顯得越來(lái)越困難，力時(shí)顯得越來(lái)越困難， 終于會(huì)在壁面處出現(xiàn)速終于會(huì)在壁面處出現(xiàn)速 度梯度為度梯度為0 0的局面。隨后的局面。隨后 產(chǎn)生與原流動(dòng)方向相反產(chǎn)生與原流動(dòng)方向相反 的回流。這一點(diǎn)稱為分

25、的回流。這一點(diǎn)稱為分 離點(diǎn)。從此點(diǎn)起邊界層離點(diǎn)。從此點(diǎn)起邊界層 內(nèi)緣脫離壁面，發(fā)生分內(nèi)緣脫離壁面，發(fā)生分 離現(xiàn)象。離現(xiàn)象。 分離流動(dòng)分離流動(dòng) 速度分布速度分布 邊界層速度分布邊界層速度分布 u t t 流體繞流圓柱體流體繞流圓柱體 2021-6-2436 2021-6-2437 繞流圓柱的分離現(xiàn)象的起點(diǎn)取決于雷諾數(shù)。繞流圓柱的分離現(xiàn)象的起點(diǎn)取決于雷諾數(shù)。 當(dāng)當(dāng)Re105時(shí)，邊界層在脫時(shí)，邊界層在脫 體前已轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，流?dòng)分離點(diǎn)推后到體前已轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，流?dòng)分離點(diǎn)推后到=140 處。處。 雷諾數(shù)為雷諾數(shù)為 ，式中，式中，u為來(lái)流速度，為來(lái)流速度， d為圓柱體外直徑。為圓柱體外直徑。 duRe 20

26、21-6-2438 圖為恒定熱流壁面局部圖為恒定熱流壁面局部 Nu隨角度隨角度的變化。這些的變化。這些 曲線在曲線在=080 左右的左右的 遞降，是由于層流邊界遞降，是由于層流邊界 層不斷增厚的原因。層不斷增厚的原因。 低低Re時(shí)，回升點(diǎn)反映了時(shí)，回升點(diǎn)反映了 繞流脫體的起點(diǎn)，這是繞流脫體的起點(diǎn)，這是 由于脫體區(qū)的擾動(dòng)強(qiáng)化由于脫體區(qū)的擾動(dòng)強(qiáng)化 了換熱。了換熱。 高高Re數(shù)時(shí)，第一次回升數(shù)時(shí)，第一次回升 是由于轉(zhuǎn)變?yōu)榱送牧?，是由于轉(zhuǎn)變?yōu)榱送牧鳎?=140處的第二次回升處的第二次回升 是由于脫體的緣故。是由于脫體的緣故。 2021-6-2439 計(jì)算流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則計(jì)算流體繞流圓

27、柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則 關(guān)系式關(guān)系式 : 25. 0 Pr Pr PrRe w f mn cNu 準(zhǔn)則的準(zhǔn)則的特征流速特征流速為流體最小截面處的最大流為流體最小截面處的最大流 速速umax；特征尺寸特征尺寸為圓柱體外直徑為圓柱體外直徑d；定性溫定性溫 度度除除Prw按壁面溫按壁面溫tw取值之外皆用流體的平均取值之外皆用流體的平均 溫度溫度tf ； 0.25 Pr Pr f w 是在選用是在選用tf為定性溫度時(shí)考慮熱流方為定性溫度時(shí)考慮熱流方 向不同對(duì)換熱性能產(chǎn)生影響的一個(gè)修向不同對(duì)換熱性能產(chǎn)生影響的一個(gè)修 正系數(shù)。正系數(shù)。 2021-6-2440 如果流體流動(dòng)方向與圓如果流體流動(dòng)方向與圓 柱

28、體軸線的夾角（亦稱柱體軸線的夾角（亦稱 沖擊角）在沖擊角）在300900的的 范圍內(nèi)時(shí)，平均表面?zhèn)鞣秶鷥?nèi)時(shí)，平均表面?zhèn)?熱系數(shù)可按下式計(jì)算熱系數(shù)可按下式計(jì)算 氣流方向 管子方向 3 流體橫向流過(guò)管束的換熱流體橫向流過(guò)管束的換熱 管束（長(zhǎng)圓柱體管束）是由多根長(zhǎng)管（長(zhǎng)圓管束（長(zhǎng)圓柱體管束）是由多根長(zhǎng)管（長(zhǎng)圓 柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成的。柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成的。 2 90 cos54. 01 hh 2021-6-2441 管束的排列方式很多，最常見(jiàn)的有順排和叉排管束的排列方式很多，最常見(jiàn)的有順排和叉排 兩種兩種 dd S1 S1 S2 S2 umax u u t t (1)(

29、1)叉排管束叉排管束 (2)(2)順排管束順排管束 2021-6-2442 一般叉排時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎一般叉排時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎 曲通道中流動(dòng)，擾動(dòng)更劇烈，因而換熱比順曲通道中流動(dòng)，擾動(dòng)更劇烈，因而換熱比順 排更強(qiáng)。排更強(qiáng)。 順排則流動(dòng)阻力小，易于清洗。順排則流動(dòng)阻力小，易于清洗。 所以順排和叉排的選擇要全面權(quán)衡。所以順排和叉排的選擇要全面權(quán)衡。 后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排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(dòng)換熱特征就沒(méi)有多管以后各排管之間的流動(dòng)換熱特征就沒(méi)有多 少差異了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管排排數(shù)超過(guò)少差異了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管排排

30、數(shù)超過(guò) 10排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。 2021-6-2443 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) z w f p mn s s cNu 25. 0 2 1 Pr Pr PrRe 2021-6-2444 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) z w f p mn s s cNu 25. 0 2 1 Pr Pr PrRe 此公式亦考慮了管子排列和管排數(shù)目對(duì)換熱此公式亦考慮了管子排列和管排數(shù)目對(duì)換熱 的影響，的影響，z為管排數(shù)目的修正系數(shù)。為管排數(shù)目的修正系數(shù)。c、n、m 及及p的具體數(shù)值和空氣中的簡(jiǎn)化計(jì)算式，均列的具體數(shù)值和空氣中的簡(jiǎn)化計(jì)算式，均列 于表于表5

31、-2中。中。 2021-6-2445 如果流體流動(dòng)的方向與管束不垂直，也就是流如果流體流動(dòng)的方向與管束不垂直，也就是流 體對(duì)管子的沖擊角體對(duì)管子的沖擊角109時(shí)時(shí)，自然對(duì)流邊界層就會(huì)失去穩(wěn)定而，自然對(duì)流邊界層就會(huì)失去穩(wěn)定而 從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。 流體在大空間作自然對(duì)流換熱時(shí)，流體的冷流體在大空間作自然對(duì)流換熱時(shí)，流體的冷 卻過(guò)程與加熱過(guò)程互不影響。這類問(wèn)題比較卻過(guò)程與加熱過(guò)程互不影響。這類問(wèn)題比較 簡(jiǎn)單，但總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式卻具有很大的實(shí)用簡(jiǎn)單，但總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式卻具有很大的實(shí)用 意義，它可以應(yīng)用到更廣的范圍。因?yàn)樵谠S意義，它可以應(yīng)用到更廣的范圍。因?yàn)樵谠S 多實(shí)際問(wèn)題

32、中，多實(shí)際問(wèn)題中，雖然空間不大，但熱邊界層雖然空間不大，但熱邊界層 互不干擾互不干擾，即可當(dāng)作大空間問(wèn)題處理。，即可當(dāng)作大空間問(wèn)題處理。 2021-6-2455 3 大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算 nGrcNuPr c、n值針對(duì)不同的自然對(duì)流換熱問(wèn)題給出。值針對(duì)不同的自然對(duì)流換熱問(wèn)題給出。 公式物性量取值的定性溫度為公式物性量取值的定性溫度為tm=(tw+t)/2，此公，此公 式僅用于壁面溫度保持常數(shù)，即式僅用于壁面溫度保持常數(shù)，即tw=const.。 對(duì)豎板或豎管（圓柱體），特征尺寸為板（管）對(duì)豎板或豎管（圓柱體），特征尺寸為板（管） 高，對(duì)水平放置圓管（圓柱體），特征尺寸為高

33、，對(duì)水平放置圓管（圓柱體），特征尺寸為 外直徑。外直徑。 2021-6-2456 4 受限空間自然對(duì)流換熱計(jì)算受限空間自然對(duì)流換熱計(jì)算 有些自然對(duì)流換熱過(guò)程受到固體表面的限制有些自然對(duì)流換熱過(guò)程受到固體表面的限制 而形成受限空間中的自然對(duì)流換熱。而形成受限空間中的自然對(duì)流換熱。 tw1 tw2 tw2 tw1 tw2 tw1 (1)(1)豎夾層豎夾層 (2)(2)水平夾層水平夾層 (3)(3)水平環(huán)縫水平環(huán)縫 2021-6-2457 恒壁溫條件下空氣在豎夾層的準(zhǔn)則關(guān)系式為：恒壁溫條件下空氣在豎夾層的準(zhǔn)則關(guān)系式為： 2000Gr1Nu 54 102106Gr 9 1 4 1 18. 0 h Gr

34、Nu 75 101 . 1102Gr 9 1 3 1 065. 0 h GrNu 公式中準(zhǔn)則的定性溫度為公式中準(zhǔn)則的定性溫度為 2/ 21wwm ttt 豎夾層豎夾層 2021-6-2458 水平夾層水平夾層 水平夾層中在恒壁溫情況下的空氣自然對(duì)流水平夾層中在恒壁溫情況下的空氣自然對(duì)流 換熱計(jì)算公式為：換熱計(jì)算公式為： 54 10410Gr 4/1 )(195. 0GrNu 5 104Gr 3/1 )(068. 0GrNu 公式中準(zhǔn)則的定性溫度為公式中準(zhǔn)則的定性溫度為 2/ 21wwm ttt 2021-6-2459 水平環(huán)縫水平環(huán)縫 1 25. 0 1 02. 0exp145. 02 . 0 d Gr d Nu 該公式適用于該公式適用于 1 /=0.552.65d 三、混合對(duì)流三、混合對(duì)流 2 3 tlg Gr 浮升力與粘性力之對(duì)比；浮升力與粘性力之對(duì)比； ul Re 慣性力與粘性力之對(duì)比。慣性力與粘性力之對(duì)比。而而對(duì)比參數(shù)對(duì)比參數(shù) 2 2 Re/ u tlg Gr 浮升力與慣性力之對(duì)比。一般認(rèn)為：浮升力與慣性力之對(duì)比。一般認(rèn)為： 101 . 0Re/ 2 Gr 時(shí)必須考慮混合對(duì)流；時(shí)必須考慮混合對(duì)流； 10Re/ 2 Gr時(shí)可只考慮自然對(duì)流；時(shí)可只考慮自然對(duì)流； 1