第十章強(qiáng)迫對(duì)流

1、Heat Transfer10-5 強(qiáng)迫對(duì)流換熱Forced Convection heat transfer 管內(nèi)流動(dòng) Internal 外部流動(dòng) ExternalHeat Transfer 管內(nèi)流動(dòng) 換熱器的管側(cè)流體流動(dòng)與換熱 輪機(jī)葉片內(nèi)的冷卻流道內(nèi)的流體流動(dòng)與換熱 等 外部流動(dòng) 換熱器的殼側(cè)流體流動(dòng)與換熱 輪機(jī)葉片表面的流體流動(dòng)與換熱 等Heat Transfer10-5-1 管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱我們已掌握我們已掌握 邊界層理論, N-S方程組我們接下來(lái)要做什么我們接下來(lái)要做什么: 建立管內(nèi)流動(dòng)對(duì)流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式roHeat Transfer1、管內(nèi)流動(dòng)的流態(tài)、管內(nèi)流動(dòng)的流態(tài)層流：層流：過(guò)

2、渡區(qū)：過(guò)渡區(qū)：湍流：湍流：Re23002300Re1000010000ReHeat Transfer 2 2、 入口段與充分發(fā)展段入口段與充分發(fā)展段 流動(dòng)入口段與充分發(fā)展段流動(dòng)入口段與充分發(fā)展段 對(duì)于管內(nèi)等溫層對(duì)于管內(nèi)等溫層流，流動(dòng)充分發(fā)展段流，流動(dòng)充分發(fā)展段具有以下特征：具有以下特征： (a) (a) 沿軸向的速度不變，其它方向的速度為零；沿軸向的速度不變，其它方向的速度為零； (b) (b) 圓管橫截面上的速度分布為拋物線形分布；圓管橫截面上的速度分布為拋物線形分布； (c) (c) 沿流動(dòng)方向的壓力梯度不變，阻力系數(shù)沿流動(dòng)方向的壓力梯度不變，阻力系數(shù)f f 為常為常數(shù)數(shù) ll管長(zhǎng)；管長(zhǎng)；

3、d d管內(nèi)管內(nèi)徑徑 Re64f22udlfp/0.05RePrl d流動(dòng)進(jìn)口段長(zhǎng)度：流動(dòng)進(jìn)口段長(zhǎng)度：Heat Transfer 熱入口段與充分發(fā)展段熱入口段與充分發(fā)展段: 進(jìn)口段邊界層沿進(jìn)口段邊界層沿x方向由薄變厚，方向由薄變厚，hx由大變小，對(duì)流換由大變小，對(duì)流換熱逐漸減弱。熱逐漸減弱。 入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比 充分發(fā)展段高。充分發(fā)展段高。 熱入口段長(zhǎng)度熱入口段長(zhǎng)度:/0.05 Re Prld/60ld層流層流湍流湍流Heat Transfer0fwwttttx.conshttttrxRrfww對(duì)于常物性流體，由上式可得對(duì)于常物性流體，由上式可得

4、hx為常數(shù)。這一結(jié)論對(duì)為常數(shù)。這一結(jié)論對(duì)于管內(nèi)層流和湍流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用于管內(nèi)層流和湍流、等壁溫和常熱流邊界條件都適用Heat Transfer邊界條件邊界條件:1、第一類(lèi)：常壁溫、第一類(lèi)：常壁溫 2、第二類(lèi)：常熱流、第二類(lèi)：常熱流Heat Transfer 牛頓冷卻公式中牛頓冷卻公式中 tf流體特征溫度流體特征溫度 對(duì)常熱流邊界條件對(duì)常熱流邊界條件 平均溫差平均溫差: (1) 對(duì)長(zhǎng)管（入口段可忽略）的充分發(fā)展段，采用管子對(duì)長(zhǎng)管（入口段可忽略）的充分發(fā)展段，采用管子出口處流體溫差出口處流體溫差 (2) 對(duì)于短管，入口段不可忽略，可近似取進(jìn)出口溫差對(duì)于短管，入口段不可忽略，可近似取

5、進(jìn)出口溫差的算術(shù)平均值的算術(shù)平均值)(thtthqfw)(21fffttt)(21tttHeat Transfer 對(duì)常壁溫條件對(duì)常壁溫條件 lnttttt入口入口出口出口對(duì)數(shù)平均溫差對(duì)數(shù)平均溫差Heat Transfer管內(nèi)層流管內(nèi)層流充分發(fā)展段充分發(fā)展段的對(duì)流換熱系數(shù)的對(duì)流換熱系數(shù)Heat Transfer續(xù)表續(xù)表Heat Transfer Heat Transfer 定性溫度為流體的平均溫度定性溫度為流體的平均溫度 （ 要按壁面溫度要按壁面溫度 查取查取 ），定性長(zhǎng)度為管子內(nèi)徑，應(yīng)用于常壁溫的條件），定性長(zhǎng)度為管子內(nèi)徑，應(yīng)用于常壁溫的條件應(yīng)用條件應(yīng)用條件，0.0044 9.75fw。0.

6、141 / 3RePr2/fffwldPr0.48 16700,fftwwt管內(nèi)層流管內(nèi)層流 入口段入口段Sieder-Tate equation 齊德泰特公式齊德泰特公式:0.141 / 3RePr1.86/ffffwNuldHeat Transfer 管內(nèi)湍流換熱管內(nèi)湍流換熱 Dittus-boelter equation 迪貝斯貝爾特公式：迪貝斯貝爾特公式： 加熱加熱 ， 冷卻冷卻 。定性溫度為流體的平均溫度定性溫度為流體的平均溫度 ，定性長(zhǎng)度為管子內(nèi)徑，用于常定性長(zhǎng)度為管子內(nèi)徑，用于常壁溫的條件壁溫的條件應(yīng)用條件應(yīng)用條件 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合此式適用與流體與壁面具有

7、中等以下溫差場(chǎng)合。0.80.023 RePrnfffNu 0.4n 0.3nft45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f。/60ldHeat Transfer對(duì)于溫差相差較大的情況對(duì)于溫差相差較大的情況:（1） Dittus-boelter 修正式修正式加熱氣體，加熱氣體，冷卻氣體，冷卻氣體，液體液體:0.80.023 RePrnffftNuc0.5ftwTcT 。1tcmftwc0.11m0.25m加熱加熱冷卻冷卻Heat Transfer（2 2）Sieder-Tate Sieder-Tate 公式：公式： 應(yīng)用條件應(yīng)用條件0.140.81 / 30.027 RePrffffw

8、Nu，/60l dPr0.7 16700,f。4Re10fHeat Transfer（3 3）米海耶夫公式：）米海耶夫公式： 0.250.80.43Pr0.021 RePrPrffffwNu，/50l dPr0.6 700,f。46Re10 1.7510fHeat Transfer 由于流體溫度不均勻帶來(lái)的管內(nèi)速度分布的畸變由于流體溫度不均勻帶來(lái)的管內(nèi)速度分布的畸變 修正系數(shù)修正系數(shù)或（(/)Pr / Pr )nnfwfwHeat Transfer 如果管內(nèi)流道為非圓形，如果管內(nèi)流道為非圓形，當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑 Hydraulic diameter Ac 為流道截面面積為流道截面面積. P 為流

9、體濕潤(rùn)周邊長(zhǎng)度為流體濕潤(rùn)周邊長(zhǎng)度. 4ceAdPHeat Transfer 11.77rdcR3110.3rdcR 彎管彎管強(qiáng)化換熱強(qiáng)化換熱 液體液體 氣體氣體入口入口, Entrance region for edge entrance 0.71ldclHeat Transfer當(dāng)當(dāng) Pr0.6 對(duì)流換熱系數(shù)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流換熱系數(shù)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式 熱邊界層厚度熱邊界層厚度對(duì)于第二類(lèi)邊界對(duì)于第二類(lèi)邊界.averageNuhlNulocalxhNuxxxx31213121PrRe664. 02PrRe332. 0averagehlNulocalxhNuxxx31213121PrRe680. 0Pr

10、Re453. 031PrtHeat Transfer當(dāng)當(dāng) l xc ，為層流和湍流并存的情況，為層流和湍流并存的情況：平均對(duì)流換熱系數(shù)平均對(duì)流換熱系數(shù)hm :dxxudxxulhlxxmcc3154021210296. 0332. 031545421Pr)Re(Re037. 0Re664. 0ccmNu臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù) ，則，則5105Rec3154Pr871Re037. 0mNu113241530.332Re Pr0.0296Re PrcxcxxxNuxxNu時(shí)，層流，時(shí)，湍流，Heat Transfer2、外掠圓管和管束、外掠圓管和管束壓力降低壓力降低0 xP壓力升高壓力升高0 xP駐

11、點(diǎn)駐點(diǎn)脫體點(diǎn)脫體點(diǎn)尾跡尾跡Heat Transfer 邊界層過(guò)渡邊界層過(guò)渡 湍流時(shí)，邊界層內(nèi)流體動(dòng)量更大，脫體擾動(dòng)也更強(qiáng)烈湍流時(shí)，邊界層內(nèi)流體動(dòng)量更大，脫體擾動(dòng)也更強(qiáng)烈5102 . 1Re5102 . 1ReHeat Transfer外掠單管時(shí)的對(duì)流換熱外掠單管時(shí)的對(duì)流換熱 對(duì)流換熱系數(shù)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式由試驗(yàn)得到對(duì)流換熱系數(shù)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式由試驗(yàn)得到局部局部NuHeat Transfer平均平均NuHeat Transfer 通常，我們關(guān)心的是在整個(gè)表面的通常，我們關(guān)心的是在整個(gè)表面的平均平均Nu Zhukauskas 公式公式 定性溫度：主流區(qū)溫度定性溫度：主流區(qū)溫度t, Prw ：壁溫下查?。罕跍?/p>

12、下查取. C, n 表表10-2 m：Pr10，m=0.36; Pr10,m=0.3764110Re1500Pr7 . 0 :for Valid PrPr Pr Re ffwfmfnffCDhNuHeat Transfer或或, ,式中：式中：C C及及n n的值見(jiàn)下表；定性溫度為的值見(jiàn)下表；定性溫度為特征長(zhǎng)度為管外徑；特征長(zhǎng)度為管外徑； 數(shù)的特征速度為來(lái)流速度數(shù)的特征速度為來(lái)流速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： ， 。1 / 3RePrnNuC()/ 2;wttRe。u15.5 982t 21 1046wtHeat Transfer對(duì)非圓柱物體對(duì)非圓柱物體Heat Transfer 上述公式對(duì)

13、于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理。上述公式對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理。 邱吉爾與朋斯登對(duì)流體橫向外掠單管提出了以下在整邱吉爾與朋斯登對(duì)流體橫向外掠單管提出了以下在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式。個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式。 式中：定性溫度為式中：定性溫度為 適用于適用于 的情形。的情形。4/55/81/21/32/3 1/40.62RePrRe0.312820001(0.4/Pr)Nu()/ 2,wttRe Pr0.2Heat Transfer外掠管束的對(duì)流換熱外掠管束的對(duì)流換熱 通常為交叉流通常為交叉流 管束排列可分為順排和叉排管束排列可分為順排和叉排 描述管束排布的參數(shù)包括：管子直徑描述管束排布的參數(shù)包括：管子直徑D, 橫向間距橫向間距S1，縱，縱向間距向間距S2 Heat TransfernwffmffCNu25. 036. 0PrPrPrRe0.6r500102Re1 :6P適用于C, m表表10-3n表表 10-4定性溫度：管束進(jìn)出口流體平均溫度定性溫度：管束進(jìn)出口流體平均溫度Heat Transfer 例題：在一鍋爐中，煙氣橫掠例題：在一鍋爐中，煙氣橫掠4排管組成的順管束，已知排管組成的順管束，已知管外徑管外徑d60mm，s1/d=2, s2/d=2, 煙氣平均溫度煙氣平均溫度tf=600,tw=120.