傳熱學第六章實用教案

1、第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱一、管槽內強迫(qing p)對流傳熱（P88-92） 這種對流傳熱是工業(yè)換熱設備中最常見的方式，幾乎這種對流傳熱是工業(yè)換熱設備中最常見的方式，幾乎(jh)所有的換熱設備中都有管道，通常是圓形截面的，所有的換熱設備中都有管道，通常是圓形截面的，也有非圓形截面的（統(tǒng)稱槽道），流體在管槽內流動并與也有非圓形截面的（統(tǒng)稱槽道），流體在管槽內流動并與壁面換熱。壁面換熱。1 1、概述（P P88-9088-90）例如：各種管式換熱器、內燃機缸套冷卻、鍋爐的過 熱器和省煤器、機油冷卻器等。第1頁/共103頁第一頁，共104頁。（1 1）流動和傳熱(chun r)(c

2、hun r)特征【如圖6-2a6-2a）、b b）所示】（P89P89）當流體流進圓管時，流動邊界層和熱邊界層的厚度都有一個 從零開始不斷增厚直至匯合(huh)(huh)于管子中心線的發(fā)展過程。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱管內對流傳熱由入口段+ +定型段組成：從進口到邊界層匯合于中心線之間的區(qū)域，稱為入口段，邊界層匯合于中心線后的區(qū)域，稱為充分發(fā)展段或定型段， 此時，速度分布、傳熱強度都將沿軸向不斷變化；此時流動與傳熱已充分發(fā)展，速度分布、傳熱強度將保持不變第2頁/共103頁第二頁，共104頁。圖6-2 管內強迫對流傳熱的流動和傳熱強度示意圖a）層流(cn li)；b）湍流第一節(jié)

3、單相流體(lit)的強迫對流傳熱第3頁/共103頁第三頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱在入口段，由于邊界層較薄，總體而言，局部對流 傳熱系數(shù)hxhx比充分發(fā)展段高，且沿著(yn zhe)(yn zhe)主流方向隨邊 界層增厚而逐漸降低。若邊界(binji)(binji)層中出現(xiàn)湍流，則湍流的擾動與混合作用又 會使局部對流傳熱系數(shù)hxhx有所提高，再隨湍流邊界(binji)(binji) 層增厚而稍減，最后逐漸趨向于充分發(fā)展段的定值第4頁/共103頁第四頁，共104頁。邊界層發(fā)展(fzhn)過程（b b）定型段：速度(sd)(sd)分布、傳熱強度hxhx沿軸向將保持不變

4、（a a）入口(r ku)(r ku)段：速度分布、傳熱強度hxhx沿軸向不斷變化第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱：0 01/21/2 d dt t：0 01/2 d1/2 d=1/21/2 d dt t=1/2 d=1/2 d第5頁/共103頁第五頁，共104頁。流態(tài)判據(pn j)：雷諾數(shù)RedvfRePAde4d：取圓管內徑 di 或槽道當量直徑ReRe104, 104, 湍流(tunli)(tunli)第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱ReRe 22002200，層流；22002200 ReRe10104 4，過渡流；：流體運動粘度，m2/s；vf：管槽截面平均流速，m/s；

5、第6頁/共103頁第六頁，共104頁。（2 2） 兩種典型(dinxng)(dinxng)的熱邊界條件（P89-90P89-90）第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱 管槽內強迫對流傳(lichun)熱的邊界條件通常有恒熱流和恒壁溫兩種典型情形，圖6-3示意性地給出了在這兩種熱邊界條件下沿主流方向流體截面平均溫度tf(x)及管壁溫度tw（x）的變化情況。湍流時，由于各微團之間的劇烈混合，除液態(tài)金屬外， 兩種熱邊界條件對對流傳熱系數(shù)的影響可以不計。但對層流及低PrPr數(shù)介質的情況， 兩種熱邊界條件下的差別是不容忽視的。第7頁/共103頁第七頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強

6、迫對流傳熱圖6-3 兩種典型熱邊界條件下流體(lit)溫度和壁面溫度沿主流方向的變化第8頁/共103頁第八頁，共104頁。 由圖6-3a)可以看出，恒熱流時，忽略入口段的影響，流體溫度tf(x)和壁面溫度tw(x)沿程線性變化，傳熱溫差基本不變，因此，當定型(dng xng)段足夠長時，可取定型(dng xng)段的溫差，即第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱由Newton冷卻公式(gngsh)，管槽內單相流體強迫對流傳熱量為mthqmthA（t tm m為傳熱面A A上的平均溫差） 恒熱流：q qw w=c=ct tm m= =（t tw w - t - tf f）第9頁/共103頁第九

7、頁，共104頁。 由圖6-3b)可以看出，恒壁溫時，局部對流傳熱溫差tx是不斷變化的，一般(ybn)應取對數(shù)平均溫差：第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱fwfwffmttttttt ln 如（tf-tf）不大或（tw-tf）與（tw-tf）相差(xin ch)不大時恒壁溫時也可近似取算術平均溫差： 2ffwfwmtttttt恒壁溫：t tw w=c=c式中,tf 、tf分別為進、出口截面上流體的平均溫度。第10頁/共103頁第十頁，共104頁。2 2、計算公式（P P90-9290-92）流體在管槽內流動時，流動狀態(tài)(zhungti)不同，強迫對流傳 熱相差很大，因此有不同的計算公

8、式。湍流(tunli)時對流傳熱效果最好，工程上絕大多數(shù)換熱設 備都工作在湍流(tunli)范圍。湍流的特征(tzhng)數(shù)實驗關聯(lián)式應用很廣泛，是學習的重點第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱第11頁/共103頁第十一頁，共104頁。（1 1）湍流(tunli)(tunli)強迫對流傳熱（P90-91P90-91）式中，Ref=1041.2105，Prf=0.7120；特征溫度:流體平均溫度tf = 1/2（tf + tf）；特征尺寸:圓管內徑(ni jn)di或槽道當量直徑de=4A/P；特征流速:流體平均溫度tf下流動截面的平均流速vf。RtlfffNu4 . 08 . 0PrRe023. 0

9、第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱l l：管長修正系數(shù)；t t：溫差修正系數(shù)；R R：彎管效應修正系數(shù)。（詳見后述）2 2、計算公式（P P90-9290-92）第12頁/共103頁第十二頁，共104頁。1,60ldl7 . 01,60lddll第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱l為考慮入口段對平均(pngjn)對流傳熱系數(shù)影響的入口效應修正系數(shù)，又稱管長修正系數(shù)。（1 1）湍流(tunli)(tunli)強迫對流傳熱（P90-91P90-91）l l11第13頁/共103頁第十三頁，共104頁。t為考慮邊界層內溫度分布對平均(pngjn)對流傳熱系數(shù)影響的 溫差修正系數(shù)。第

10、一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱在有傳熱的條件下，管槽截面上的溫度不均勻，由此影響粘度等物性參數(shù)(cnsh)，所以截面上的速度分布不同于等溫流動。如圖6-4所示，曲線1為等溫流動時的速度分布。由于液體的粘度隨溫度升高而降低，因此，液體被冷卻時，近壁處的粘度較管心處為高，速度分布低于等溫曲線，如圖中曲線2所示；而液體被加熱時，近壁處的粘度較管心處為低，速度分布高于等溫曲線，如圖中曲線3所示。（1 1）湍流強迫對流傳熱（P P90-9190-91）第14頁/共103頁第十四頁，共104頁。t為溫差(wnch)修正系數(shù)：第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱近壁處流速增大會強化傳

11、熱， 反之(fnzh)則會削弱傳熱， 這就說明了物性場不均勻將影響對流傳熱強度。氣體的粘度隨溫度升高而提高 因此情形與液體正好相反。（1 1）湍流強迫對流傳熱（P P90-9190-91） 圖6-4 管內速度分布 1-等溫流動； 2-冷卻液體或加熱氣體； 3-加熱液體或冷卻氣體第15頁/共103頁第十五頁，共104頁。tt為溫差(wnch)(wnch)修正系數(shù)：溫度場不均勻(jnyn)粘度(zhn d)場不均勻速度場改變影響h h值第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱 圖6-4 管內速度分布 1-等溫流動； 2-冷卻液體或加熱氣體； 3-加熱液體或冷卻氣體（1 1）湍流強迫對流傳熱（P P90-91

12、90-91）第16頁/共103頁第十六頁，共104頁。液體(yt)：氣體(qt)：11. 0wft25. 0wft加熱冷卻55. 0wftTT1t加熱冷卻第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱綜上所述，不均勻物性場對對流傳熱的影響，視液體還是氣體、加熱還是冷卻以及溫差大小而異，溫差修正系數(shù)t 一般可按下式計算：t t為溫差修正系數(shù)：（1 1）湍流強迫對流傳熱（P P90-9190-91）第17頁/共103頁第十七頁，共104頁。R為考慮管道彎曲對平均對流(duli)傳熱系數(shù)影響的彎管效應修正系數(shù)。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱 如圖6-5所示，流體(lit)流過彎曲管道或螺旋

13、管時，由于離心力的作用，會引起二次環(huán)流而強化傳熱。 圖6-5 彎曲管道中的二次環(huán)流（1 1）湍流強迫對流傳熱（P P90-9190-91）第18頁/共103頁第十八頁，共104頁。RdR77. 1133 .101RdR液體(yt)：氣體(qt)：彎管修正系數(shù)R通常(tngchng)可按下式計算：第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱特別地，對于蛇形管，直管段較短時必須考慮彎曲段的影響；而直管段較長時（如鍋爐過熱器、省煤器的管子以及化工廠蛇形管換熱器中的管子等），彎曲管段對整個管子平均對流傳熱系數(shù)的影響不大，可近似取R R=1=1。式中，R為彎管的彎曲半徑R R11第19頁/共103頁第十九頁，共104

14、頁。第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱 特征數(shù)方程實質(shzh)上表示了各因素對傳熱強度的影響程度，湍流強迫對流傳熱系數(shù)計算公式展開可得：Rtlffpffffdcdvh4 . 08 . 0023. 0（1 1）湍流(tunli)(tunli)強迫對流傳熱（P90-91P90-91）Rtlffffpfdvc2 . 04 . 08 . 08 . 06 . 04 . 0023. 0第20頁/共103頁第二十頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱 h與流速(li s)的0.8次冪成正比而與管徑的0.2次冪成反比，但必須注意，這些措施都會同時增加流體的流動阻力， 尤其(y

15、uq)是流速增加時阻力的增大將以流速的平方倍數(shù)增大。 由上式可見，當流體種類確定后，設計中能改變的只有流速和管徑。（1 1）湍流強迫對流傳熱（P P90-9190-91） 因此，提高流速和減小管徑都是強化傳熱的有效措施。第21頁/共103頁第二十一頁，共104頁。（2 2）層流(cn li)(cn li)強迫對流傳熱（P92P92）的影響?？紤]溫度場對的影響，用考慮入口效應對來。式中用，上式適用范圍為：hhllwfffff14. 03/1d10dPrRe6 . 0Pr2200Re第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱層流時入口(r ku)段長度由下式確定：PrRe05. 0dl2 2、

16、計算公式（P P90-9290-92）14. 03/1PrRe86. 1wffffldNu第22頁/共103頁第二十二頁，共104頁。特點(tdin)：換熱設備中，管槽內層流(cn li)強迫對流傳熱常常處于入口段范圍當管槽內層流強迫對流傳熱進入充分發(fā)展段后，對于常物性流體，Nu數(shù)與Re數(shù)無關(wgun)而保持不變，h也保持不變。第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱熱邊界條件影響顯著，一般恒熱流時的傳熱強度大于恒壁溫如對圓管內層流充分發(fā)展段： 恒熱流時Nu=4.36，而恒壁溫時Nu=3.66。截面形狀不同的管道，即使當量直徑相同，充分發(fā)展段的Nu數(shù)也不一樣。（2 2）層流強迫對流傳熱（P P9292

17、）第23頁/共103頁第二十三頁，共104頁。(3)(3)過渡(gud)(gud)區(qū)強迫對流傳熱（P92P92）從換熱設備的穩(wěn)定性考慮，工程(gngchng)上也往往避免設計在這一區(qū)域14.03/23/13/21Pr125Re116.0wffffldNu接近。其計算值與試驗結果很的范圍內，體特別適用，尤其在影響。上式對于粘性流的考慮溫度場對的影響，而用于考慮入口段對式中，6000Re2200d114. 03/2fwfhhl第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱與層流和湍流相比，過渡區(qū)中傳熱計算公式滿意的不多。2 2、計算公式（P P90-9290-92）第24頁/共103頁第二十四頁，

18、共104頁。例6-1 6-1 某換熱器中，冷卻水以2m/s2m/s的速度流過內徑(ni jn)(ni jn)為20mm20mm的長銅管，進、出口溫度分別為2020和6060。設銅管內壁的平均溫度為9090，試計算冷卻水側的對流傳熱系數(shù)及單位管長的傳熱量。，90602020/2 wffiftttmmdsmv解：第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱選取特征溫度(wnd)，查取有關物性參數(shù)值。sPasPasmKWttttwffffwfff 66262109 .314103 .65331. 4Pr/10659. 0m/105 .63904060202121，由附錄查得：，壁溫本題特征溫度 由題意，

19、第25頁/共103頁第二十五頁，共104頁。流動為旺盛湍流。RtlfffNu4 . 08 . 0PrRe023. 0選取，446101007. 610659. 0020. 02Refiffdv 計算雷諾數(shù)ReRe，判定(pndng)(pndng)流動狀態(tài)。 選取公式，計算(j sun)Nu(j sun)Nu數(shù)，進一步計算(j sun)(j sun)平均對流傳熱系數(shù)h h。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱KmWNudhNufiffwftRl211. 0664 . 08 . 0411. 0/952187.299020. 0635. 087.299109 .314103 .65331. 41

20、007. 6023. 0, 1, 1因此，KmWNudhNufiffwftRl211. 0664 . 08 . 0411. 0/952187.299020. 0635. 087.299109 .314103 .65331. 41007. 6023. 0, 1, 1因此，由題意，KmWNudhNufiffwftRl211. 0664 . 08 . 0411. 0/952187.299020. 0635. 087.299109 .314103 .65331. 41007. 6023. 0, 1, 1因此，由題意，第26頁/共103頁第二十六頁，共104頁。21.4760902090ln2060ln

21、 fwfwffmtttttttmWtdhmil/1082. 221.47020. 095214mWtdhtttmilfwm/1099. 250020. 095215040904，計算對流傳(lichun)(lichun)熱量或q q。單位(dnwi)管長傳熱量為第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱討論：本題給出了計算強迫對流傳熱的一般步驟。另外，本題亦可近似采用算術平均溫差計算單位管長的傳熱量：mWtdhtttmilfwm/1099. 250020. 095215040904，可見與上述采用對數(shù)平均溫差的計算結果相差不大。第27頁/共103頁第二十七頁，共104頁。例6-2 流量為1

22、20kg/h的潤滑油通過壁溫恒定為20、內徑為13mm的管道(gundo)，油溫從100被冷卻到60 ，試計算對流傳熱系數(shù)h和所需管長l。，mmdthkgqiwm1390/120，壁溫2080601002121 wffftttt解：第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱特征(tzhng)溫度，則sPafff03195. 002.852105 .376，由附錄查得：3/02.852m/138. 0mkgKWffsPawww7994. 02 .888109006則，60100 fftt，490Pr f，smf/105 .3726，又smmkgsPawww/10900/2 .888109 .314

23、2636第28頁/共103頁第二十八頁，共104頁。smdqvfimf/295. 002.852013. 043600/120422，流動為層流。22003 .102105 .37013. 0295. 0Re6fiffdv，選用公式，即假定10PrReldiff計算(j sun)雷諾數(shù)Re:第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱試算: :14. 03/1PrRe86. 1wfifffldNu第29頁/共103頁第二十九頁，共104頁。7 .57206020100ln60100ln wfwfffmttttttt14. 03/17994. 003195. 0013. 04903 .1028

24、6. 1138. 0013. 0lh平均傳熱(chun r)溫差又由熱平衡得ffpfmmittcqtldh 第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱代入已知數(shù)據(shj)整理得1 .1093/1hl(a)(a)第30頁/共103頁第三十頁，共104頁。60100213136001207 .57013. 0lh代入已知數(shù)據(shj)mlkmWhba76.36/8 .32)(),(2，得：聯(lián)立求解式7 .1205hl整理(zhngl)得(b)(b)第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱校核:，以上計算有效。107 .1776.36013. 04903 .102PrReldiff法。湍流時，

25、未知，因此采用了試算討論：本題管長l，再用熱平衡式求出管長l，一般試算一次即可。，則計算hhll核。試算法最后必須進行校后，求出可先令hl1第31頁/共103頁第三十一頁，共104頁。管內強迫(qing p)對流傳熱計算在以下幾種情況下一般也采用試算法：流體出口溫度t”f未知?？上燃僭Ot”f值，按對流傳熱的求解步 驟進行計算，再用熱平衡式求出t”f ，最后進行迭代計算，直 到滿足熱平衡偏差為止(wizh)，一般取計算值與假設值偏差小于5%管內壁溫度(wnd)tw未知。此時可先令t=1，求出h，再用熱平衡式 求出tw,計算t，則h=th，一般只需試算一次。第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱討論：流體

26、速度v vf f未知。先假設流速vf，根據Re數(shù)選擇計算公式，再 由熱平衡式求出v”f,最后根據vf與v”f的偏差要求進行校正。管徑d di i未知?？上仍O一流速di，處理方法與流速或管長未知 的情形類似。第32頁/共103頁第三十二頁，共104頁。二、外掠物體強迫(qing p)對流傳熱（P94-99） 空氣縱掠機翼，風吹過地面或熱力管道，鍋爐煙氣橫掠過熱器管束，各種殼管式換熱器殼側流體橫掠管束等的對流傳熱，都屬于流體外掠物體(wt)時的強迫對流傳熱。第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱下面將分別討論縱掠平壁、橫掠單管和橫掠管束時的對流傳熱。第33頁/共103頁第三十三頁，共104

27、頁。1 1、縱掠平壁（P P94-9594-95）第五章第二節(jié)已詳細介紹了流體縱掠等溫平壁時， 流動(lidng)邊界層和熱邊界層的形成及發(fā)展。第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱由于這種對流傳熱現(xiàn)象比較簡單， 層流對流傳熱系數(shù)計算公式可由數(shù)學分析法求得； 湍流(tunli)對流傳熱系數(shù)計算公式可由比擬法求得。實踐證實，這些計算公式比較正確，可用于工程計算。二、外掠物體強迫對流傳熱（P94-99）第34頁/共103頁第三十四頁，共104頁。3/12/1PrRe332. 0mxmmxxmxhNu（1 1）層流(cn li)(cn li)強迫對流傳熱式中： ,50Pr6 . 0105Re

28、2115mmwmvlttt，特征速度：主流流速；特征尺寸：平壁長度、特征溫度為第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱3/12/1PrRe664. 0mlmmlmhlNu；特征溫度為tttwm21特征尺寸分別為x和平壁長度l；特征速度(sd)為主流流速v。 1 1、縱掠平壁（P P94-9594-95）第35頁/共103頁第三十五頁，共104頁。3/15/4PrRe0296. 0mxmmxxmxhNu（2 2）湍流強迫(qing p)(qing p)對流傳熱（從x=0 x=0處即形成湍流邊界層, ,較少）式中： 60Pr6 . 0105Re2115mmwmvlttt，特征速度：主流流速；特征尺

29、寸：平壁長度、特征溫度為第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱3/15/4PrRe037. 0mlmmlmhlNu特征尺寸(ch cun)分別為x和平壁長度l；特征速度為主流流速v。 1 1、縱掠平壁（P P94-9594-95）第36頁/共103頁第三十六頁，共104頁。3/18 . 0Pr871Re037. 0mlmlmNu（3 3）層流+ +湍流強迫(qing p)(qing p)對流傳熱式中：第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱5105Re1lmmvlt；特征速度：；特征尺寸：、特征溫度，特征(tzhng)溫度為tm；特征(tzhng)尺寸為平壁長度l。 當lxc時，流體縱

30、掠等溫平壁的邊界層由層流段（x xx xc c）和湍流段（x xx xc c）組成，常稱復合（或混合）邊界層。 此時，計算整個壁面的平均對流傳熱系數(shù)h h的特征數(shù)關聯(lián)式為1 1、縱掠平壁（P P94-9594-95）第37頁/共103頁第三十七頁，共104頁。2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）所謂橫掠單管，就是流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流體橫掠單根圓管或柱體時，由于會發(fā)生(fshng)繞流脫體 現(xiàn)象,因此其流動和傳熱情況比較復雜。（1 1）流動(lidng)(lidng)和傳熱特征以圓管為例，流體橫掠單管時，管面迎向來流最前面(qin mian)的點稱為前滯止點或前

31、駐點，最后面的點稱為后滯止點或后駐點，對于理想流體，該兩駐點處的流速均應為零。第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱從前駐點開始，流體對稱地分為上、下兩股繞流管面，在緊貼管壁處也形成邊界層，并不斷發(fā)展，但各截面上邊界層外緣的流速數(shù)值不同，如圖6-66-6所示。第38頁/共103頁第三十八頁，共104頁。沿著流動方向流體(lit)速度漸增而壓力漸減；截面(jimin)處，速度最大，壓力最??；沿著流動方向流體(lit)速度漸減而壓力漸增。1809090900第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱來流的速度和壓力分別為v0和p0 ，在邊界層外，按速度和壓力的變化可分為兩個區(qū)域：圖6-6 流體橫掠單管的流動情形2 2

32、、橫掠單管（P P95-9695-96）（1 1）流動和傳熱特征第39頁/共103頁第三十九頁，共104頁。 邊界層外的流體可近似作為不存在粘性的理想流體，速度(sd)與壓力以2點截面為對稱；而在極薄的邊界層內，流體由于粘性阻力而動能有額外損失，全部耗盡后流體會出現(xiàn)停滯和回流現(xiàn)象。第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱貼壁流體的速度(sd)梯度 的點3，稱為分離點。00yyv圖6-6 流體橫掠單管的流動情形從分離點截面開始，流體形成向內的旋渦，不再貼著壁面流動，故稱脫體。注意：脫體后的旋渦區(qū)已無法采用邊界層理論進行分析。2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）（1 1）流動和傳熱

33、特征第40頁/共103頁第四十頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱對于(duy)一定的流體，分離點的位置主要取決于邊界層中流體的動量，也就是說分離點的位置主要取決于象征慣性力與粘性力之比的Re數(shù)的大小。對于(duy)(duy)圓管：Re10Re10時，沒有脫體現(xiàn)象；Re=10Re=101.51.510105 5時，脫體前邊界層為層流， 脫體發(fā)生在=80=808585Re1.5Re1.510105 5時，脫體前邊界層已過渡為湍流， 脫體點后移至140140處2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）（1 1）流動和傳熱特征第41頁/共103頁第四十一頁，共104頁。流體(

34、lit)橫掠圓管時，其局部努塞爾數(shù)Nu隨角和Re數(shù)的變化規(guī)律如圖6-7所示： 低ReRe數(shù)時：（a a）從前駐點開始，由于(yuy)(yuy)層流邊界層不 斷增厚，NuNu隨增加而減??；（b b）在=80=808585，NuNu達到(d do)(d do)最小值；（c c）隨后，由于脫體區(qū)的擾動強化了傳 熱，Nu有所回升。第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱圖6-7 Nu沿周界的變化（1 1）流動和傳熱特征（恒熱流）2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）第42頁/共103頁第四十二頁，共104頁。（b b）隨后(suhu)(suhu)，由于湍流的發(fā)展，NuNu急升， 達旺盛湍流時，NuNu達

35、到最大值；（c c）待湍流穩(wěn)定后，由于湍流邊界層不斷 增厚，NuNu又開始下降(xijing)(xijing)，在=140=140， Nu Nu出現(xiàn)第二個最小值；（d d）過分離點（140140）后，由于脫體區(qū) 的擾動(rodng)(rodng)強化了傳熱，NuNu再次回升。（a a）邊界層由層流發(fā)展為湍流，在轉變 的過渡區(qū),Nu出現(xiàn)第一個最小值；第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱高ReRe數(shù)時：（1 1）流動和傳熱特征（恒熱流）圖6-7 Nu沿周界的變化2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）第43頁/共103頁第四十三頁，共104頁。此外(cwi)，從圖中還可發(fā)現(xiàn)：（a a）低Re數(shù)時，

36、Nu0 Nu180；（b b）高Re數(shù)時，Nu0 Nu180；第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱（1 1）流動和傳熱(chun r)(chun r)特征（恒熱流）圖6-7 Nu沿周界的變化2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）第44頁/共103頁第四十四頁，共104頁。（2 2）計算公式 特征溫度為tm，特征尺寸(ch cun)為外徑do，特征流速為來流速度v0 ； C和n的選取(xunq)參見P96表6-1；修正(xizhng)系數(shù)為考慮沖刷角度的修正(xizhng)系數(shù)，參見P97表6-2：=90時， =1； 90時， 1；特別地，當=0=0時，流體縱掠圓管，此時，只要

37、圓管外徑比邊界層厚度大得多，如滿足d do o1010，就可近似采用縱掠平壁計算公式，特征尺寸取管長 l，平壁寬取do。式中：3/1PrRemnmmomChdNu第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱工程計算中常用的橫掠單管強迫對流平均對流傳熱系數(shù)特征數(shù)實驗關聯(lián)式為2 2、橫掠單管（P P95-9695-96）第45頁/共103頁第四十五頁，共104頁。3 3、橫掠管束(gunsh)(gunsh)（P97-P97-9999）（1 1）流動和傳熱(chun (chun r)r)特征 流體橫掠管束(gunsh)時的對流傳熱遠比橫掠單管時復雜，除橫掠單管的影響因素外，管間距、管排數(shù)和管束(gunsh)排列方

38、式等幾何因素都影響流動和傳熱。 流體橫掠管束對流傳熱在換熱器及鍋爐、暖風器等專用換熱設備中最為常見。第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱 第46頁/共103頁第四十六頁，共104頁。管排數(shù)：從第二排起，后排管子都處于前排管子的尾流中。 在尾流旋渦的作用下，后排管子的對流傳熱系數(shù)h比前排高, 即h2h1,h3h2,h4h3,。但經過幾排管子以后擾動基本穩(wěn) 定，hz幾乎(jh)不再變化。（1 1）流動和傳熱(chun (chun r)r)特征第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱管間距：由于相鄰管子的影響，流體在管間的流動截面交替 地減少和增加，流體在管間交替地加速和減速。管距的大小 影響流體流

39、動截面的變化程度和流體加速與減速的程度。3 3、橫掠管束（P P97-9997-99）第47頁/共103頁第四十七頁，共104頁。管束排列方式：管束排列方式對h h的影響比較(bjio)(bjio)明顯。通常管束排列方式有順排和叉排兩種，如圖6-86-8所示。（1 1）流動和傳熱(chun r)(chun r)特征第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱流體流過管束第一排時，順排和叉排都是“前受沖擊、后受擾 動”；但從第二排開始，流動情況就有所不同，對于順排，管 子直接位于前排管子的尾流中，管子前后都是渦流區(qū)，沒有 直接受到沖擊，傳熱強度不大，而對于叉排，各排的=0 處都受到沖擊，可見流體受到

40、的擾動叉排比順排劇烈。因 此，一般說來，在同樣的入口流速下，叉排時的傳熱比順排 時強，叉排管束的平均對流傳熱系數(shù)要比順排管束大。 工程中，大部分熱交換器采用叉排。3 3、橫掠管束（P P97-9997-99）第48頁/共103頁第四十八頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱圖6-8 流體橫掠圓管管束(gunsh)時的流動情況 a)順排；b)叉排第49頁/共103頁第四十九頁，共104頁。管束排列(pili)方式：（1 1）流動(lidng)(lidng)和傳熱特征第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱但當ReRe數(shù)很高時，順排管束沿管周不是湍流邊界層就是強烈 的旋渦區(qū)，所以

41、順排平均對流傳熱系數(shù)有可能超過叉排，且 這種趨勢在管間距較大時更為明顯。 因此，叉排、順排的選擇必須全面權衡才行。3 3、橫掠管束（P P97-9997-99）還有，叉排管束的阻力損失大于順排。另外，順排管束易于清洗。第50頁/共103頁第五十頁，共104頁。zpkwfmfnffssCNu21PrPrPrRe（2 2）計算公式第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱式中：Prf = 0.7500。 特征尺寸為圓管外徑do； Prw以壁溫tw為定性溫度，其余(qy)定性溫度均為流體平均溫度tf； 特征流速為管間最窄流通截面處流體的最大平均流速vf,max， 其計算比較麻煩，參見圖6-8：3

42、 3、橫掠管束(gunsh)(gunsh)（P97-99P97-99）第51頁/共103頁第五十一頁，共104頁。第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱圖6-8 流體(lit)橫掠圓管管束時的流動情況 a)順排；b)叉排第52頁/共103頁第五十二頁，共104頁。（2 2）計算公式第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱已知未進入管束時的流體速度v0，則最大平均(pngjn)流速vf,max為：順排時ofdssvv110max,ofooofoodssvvdsdsdssvvdsds210max,12110max,12222，若，若 0210max,01020110max,0102222d

43、ssvvdsdsdssvvdsdsff，若，若叉排時222122sss式中斜向間距3 3、橫掠管束(gunsh)(gunsh)（P97-99P97-99）第53頁/共103頁第五十三頁，共104頁。 系數(shù)C和指數(shù)(zhsh)n、m、k、p的選取見P98表6-3。z為管排修正(xizhng)系數(shù)，見P98表6-4，當管排數(shù)Z16時，z=1。特別地，當=0時，流體在管間縱掠管束，此時可采用管內強迫(qing p)對流傳熱公式計算，特征尺寸取當量直徑de，對于順排和叉排，de值相同：（2 2）計算公式第一節(jié) 單相流體的強迫對流傳熱修正系數(shù)為考慮沖刷角度的修正系數(shù)，參見P99表6-5，當=8090時，

44、 可取=1。ooooeddssddssPAd2122144/443 3、橫掠管束（P P97-9997-99）第54頁/共103頁第五十四頁，共104頁。 工程技術中，為強化流體橫掠管束時的對流傳熱，往往(wngwng)采用肋片管，且管子外形也不一定是圓的，例如可以是扁圓形、橢圓形等。說明(shumng)：第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱 顯然，流體橫掠帶肋管束對流傳熱系數(shù)的計算，要比流體橫掠圓管管束對流傳熱系數(shù)的計算復雜得多。3 3、橫掠管束（P P97-9997-99）第55頁/共103頁第五十五頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱例6-3 6-3 在速度

45、v0=5m/sv0=5m/s、溫度為2020的空氣流中，沿流動方向平行地放有一塊長為20cm20cm、溫度為6060的平板。如用垂直流動方向放置的半周長為20cm20cm的圓柱代替平板，問此時(c sh)(c sh)的表面對流傳熱系數(shù)為平板的幾倍（其他條件不變）。解： 特征(tzhng)溫度tm4020602121ttw空氣的物性值為：m=2.7610-2W/(mK) ,Prm=0.699，m=16.9610-6m2/s，據此由附錄查得（1 1）縱掠平壁：v0=5m/s，l=20cm=0.20m5601053 .589621096.1620. 05Remlml，流動為層流。第56頁/共103頁

46、第五十六頁，共104頁。第一節(jié) 單相(dn xin)流體的強迫對流傳熱選用(xunyng)公式：3121PrRe664. 0mlmlmNu3121669. 03 .58962664. 0=143.09=143.09746.1909.14320. 01076. 22lmmNulh W/(mW/(m2 2K)K)（2 2）橫掠單管：v v0 0=5m/s=5m/s， cm2021odm40. 0od，5 .375361096.1640. 05Re60momdv，40004000ReRem m4000040000， 第57頁/共103頁第五十七頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱

47、選用(xunyng)公式，并由表6-1查得：C=0.193，n=0.618，則) 1(PrRe193. 0PrRe31618. 031mmnmmCNu31618. 0669. 05 .37536193. 0=115.01=115.01931.2401.11540. 01076. 22momNudh W/(mW/(m2 2K)K)（3 3）比較(bjio)(bjio)：263. 1746.19931.24縱掠平壁橫掠單管hh第58頁/共103頁第五十八頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體(lit)的強迫對流傳熱例6-4 6-4 水橫向掠過5 5排叉排管束，最窄截面處流速(li s)(li s)為4.

48、87m/s4.87m/s，流體平均溫度為2020，管子壁溫為2525。已知管子外徑do=19mmdo=19mm，管間距 ，試求管束與水之間的平均對流傳熱系數(shù)。25. 121oodsds解：由題意(t y)(t y)，vfvf，max=4.87m/smax=4.87m/s，特征溫度tf=20tf=20，壁溫tw=25tw=25由附錄查得水的物性值為：f=0.599W/f=0.599W/（mKmK），Prf=7.02Prf=7.02，Prw=6.22 Prw=6.22 ，f=1.006f=1.00610-6m2/s10-6m2/s，9197810006. 1019. 087. 4Re6max,fo

49、ffdv53102Re10f第59頁/共103頁第五十九頁，共104頁。第一節(jié) 單相流體的強迫(qing p)對流傳熱zpkwfmfnffssCNu21PrPrPrRe) 1(923. 022. 602. 702. 79197835. 025. 036. 060. 070.63841001. 270.638019. 0599. 0fofNudh選用公式(gngsh)，并由表6-3查得系數(shù)和指數(shù)為：C=0.35，n=0.60，m=0.36，k=0.25，p=0.2，由表6-4查得：z=0.923W/(mW/(m2 2K)K)第60頁/共103頁第六十頁，共104頁。 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳

50、熱一、基本概念（P100）不依靠泵或風機等外力推動，而由流體自身溫度場的不均勻 所引起的流動(lidng)稱為自然對流;如: :熱力管道和輸電線路在無風情況下的散熱、暖氣片的散熱、電器元件的自然冷卻以及太陽能集熱器空氣夾層中的傳熱(chun r)(chun r)等都是自然對流傳熱(chun r)(chun r)的應用實例。不均勻溫度場造成不均勻密度場所產生的浮升力（或沉降力） 是流體運動的動力;這種流體在浮升力作用下的對流傳熱就稱為自然對流傳熱。1 1、定義：第61頁/共103頁第六十一頁，共104頁。傳熱面上邊界層的形成和發(fā)展(fzhn)不受周圍物體干擾的自然對流 傳熱稱為大空間自然對流傳熱

51、，否則稱有限空間自然對流傳熱 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱2 2、分類(fn li)(fn li)：自然對流傳熱分為大空間自然對流傳熱和有限空間自然對流 傳熱。注意：大空間和有限空間是相對而言的，幾何意義上的有限空間 只要邊界層的形成和發(fā)展不受限制，仍稱為大空間。許多實際問題都可以作為大空間自然對流傳熱來分析計算。 本節(jié)重點討論大空間自然對流傳熱一、基本概念（P100）第62頁/共103頁第六十二頁，共104頁。二、大空間(kngjin)自然對流傳熱（P100-102）1 1、流動和傳熱(chun (chun r)r)特征 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱以溫度為t t的靜止流體被高溫豎壁（t

52、 tw wt t）加熱為例：自然對流傳熱時，近壁處也形成流動邊界層。由于速度是因溫度不均勻而產生， 因此邊界層中的速度分布依賴于溫度分布。自然對流傳熱時：豎壁附近的溫度分布與速度分布如圖6-96-9所示；邊界層的形成和發(fā)展及hx的變化如圖6-106-10所示。第63頁/共103頁第六十三頁，共104頁。1 1、流動(lidng)(lidng)和傳熱特征 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱圖6-9 自然對流傳(lichun)熱時豎壁附近的溫度分布與速度分布（twt）二、大空間自然對流傳熱（P100-102）第64頁/共103頁第六十四頁，共104頁。1 1、流動(lidng)(lidng)和傳熱特征

53、 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱在貼壁處，流體溫度(wnd)等于壁面溫度(wnd)tw，在離開壁面的方向上 逐步降低，直至周圍環(huán)境溫度(wnd)t。（1 1）豎壁附近的溫度分布與速度分布（見圖6-96-9）邊界層中的速度分布則呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的特點：在貼壁處，由于粘性作用流體速度為零;在邊界層外緣處，由于溫度不均勻性消失，流體速度也為零;在邊界層的中間偏近熱壁面的某處，流體速度有一最大值。二、大空間自然對流傳熱（P100-102）第65頁/共103頁第六十五頁，共104頁。 自然對流亦有層流與湍流之分。在邊界層中，流體質點所受的力，主要是浮升力和粘性力，慣性力相對(xingdu)較小，其

54、影響甚至可以忽略。1 1、流動(lidng)(lidng)和傳熱特征 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱圖6-10 豎壁自然對流傳熱時邊界層的形成和發(fā)展及hx的變化（1 1）邊界層的形成和發(fā)展及h hx x的變化 （見圖6-106-10）（P P101101）二、大空間自然對流傳熱第66頁/共103頁第六十六頁，共104頁。1 1、流動(lidng)(lidng)和傳熱特征 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱邊界層的形成(xngchng)和發(fā)展（1 1）邊界層的形成和發(fā)展及h hx x的變化（見圖6-106-10）隨著高度的增加，浮升效應逐漸增強，在豎壁上部，浮升力 的影響超過了粘性力，流動逐漸過渡為

55、湍流。在高溫豎壁底部的起始段，近壁流體溫度升高不大，浮升效 應較弱，粘性力起主導作用，流動呈層流狀態(tài)。二、大空間自然對流傳熱（P100-102）第67頁/共103頁第六十七頁，共104頁。層流時，傳熱(chun r)熱阻主要取決于邊界層厚度，因此hx逐漸減小；此后，由于邊界層由層流向湍流過渡，流體微團的摻混使得(sh de)熱 阻減小，hx逐漸增加；轉變成湍流(tunli)邊界層后，hx基本上不再變化，幾乎是個常量；1 1、流動和傳熱特征 第二節(jié) 自然對流傳熱自然對流傳熱流動狀態(tài)的定量判據是格拉曉夫數(shù)GrGr; Gr數(shù)反映了流體浮升力與粘性力的相對大??； 情形不同，劃分層流與湍流的Gr數(shù)值范圍

56、不同。（1 1）邊界層的形成和發(fā)展及h hx x的變化（見圖6-106-10） h hx x的變化情況二、大空間自然對流傳熱（P100-102）第68頁/共103頁第六十八頁，共104頁。2 2、計算公式 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱nmmmGrCNuPrtttwm2123mcvmltgGr式中：（1 1）特征(tzhng)(tzhng)溫度為（2 2）smmlttttKTmcwvv/:1:21為流體的運動粘度，；為特征尺寸，；體，體脹系數(shù)，對于理想氣（3 3）C C和n n由實驗確定，幾種典型(dinxng)(dinxng)情況下的數(shù)值列于P102P102表6-6 6-6 。二、大空間自然

57、對流傳熱（P100-102）第69頁/共103頁第六十九頁，共104頁。這一特征可用來指導實驗：只要實驗中保持湍流自然對流傳 熱，實驗模型的尺寸(ch cun)可比已定特征數(shù)相等所要求的更小一些， 這樣并不影響特征數(shù)實驗關聯(lián)式的準確性，由于模型尺寸(ch cun)變 小，整個設備變小，實驗費用降低。 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱3 3、自模化將表6-6的系數(shù)和指數(shù)代入計算公式時發(fā)現(xiàn)，湍流自然對流 傳熱系數(shù)h與特征尺寸lc無關(wgun)，這種現(xiàn)象稱為自?；?。二、大空間自然對流傳熱（P100-102）第70頁/共103頁第七十頁，共104頁。例6-5 6-5 室溫為1010的大房間(fngji

58、n)(fngjin)中有一個外徑為10cm10cm的煙筒，其豎直部分高1.5m1.5m，水平部分長15m15m。求煙筒的平均壁溫為110110時，每小時的對流散熱量。 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱解：特征(tzhng)溫度60101102121tttwm的物性值為：m=1.060kg/m3，cpm=1.005kJ/（kgK），m=0.029W/（mK），m=18.9710-6m2/s，Prm=0.696。，由附錄查得空氣（1 1）煙筒豎直部分的散熱1026323m10763. 2273601097.185 . 11011081. 9GrmcVtlg101010923. 1696. 01076

59、3. 2PrmGr第71頁/共103頁第七十一頁，共104頁。 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱由表6-6知為湍流(tunli)，C=0.10，n=1/3，代入計算公式31Pr10. 0mmmGrNu9 .26710923. 110. 03110所以(suy) 18. 55 . 1029. 09 .267HNuhmmW/W/（m m2 2K K）ttdHhw12441011018. 55 . 110. 0W W（2 2）煙筒水平部分的散熱626323m10186. 8273601097.181 . 01011081. 9GrmcVtlg6610698. 5696. 010186. 8PrmGr第

60、72頁/共103頁第七十二頁，共104頁。 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱由表6-6知為層流(cn li)，C=0.53，n=1/4，代入計算公式41Pr53. 0mmmGrNu9 .2510698. 553. 0416所以(suy) 51. 710. 0029. 09 .25dNuhmmW/W/（m m2 2K K） ttdlhw235391011051. 7151 . 0W W煙筒的總對流熱流量=1+2=244+3539=3783W煙筒每小時的對流散熱量為Q=37833600=1.36107J第73頁/共103頁第七十三頁，共104頁。 第二節(jié) 自然(zrn)對流傳熱由此可見：對這類表面溫