傳熱學(xué)6-2課件

1、1/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer一、外掠等溫平板一、外掠等溫平板( (laminar flow, Re5105) )1.1.公式公式特征尺度：板長特征尺度：板長( (局部為局部為x，平均為，平均為l) )3/12/1PrRe332. 0 xxNu 1/21/30.664RePrmlNu 2.2.注意注意定性溫度：定性溫度：tm=(t+tw)/2x， ，h3/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Tr

2、ansfer二、外掠單管二、外掠單管(flow across single cylinder)1.1.流動(dòng)特點(diǎn)流動(dòng)特點(diǎn)前半周，加速流動(dòng)前半周，加速流動(dòng)0,0dpdudxdx脫體，脫體，flow seperation0,0dpdudxdx后半周，減速流動(dòng)后半周，減速流動(dòng)0,0dpdudxdx脫體位置取決于脫體位置取決于Re數(shù)，數(shù)，Re10,不脫體；5Re1.5 10 ,8085101616消失消失沖刷方向有影響沖刷方向有影響( (沖角沖角) )13/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer2.2.平均換熱特性的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式平均換熱特性的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式14/43傳熱學(xué)傳熱

3、學(xué) Heat Transfer Heat Transfer 茹卡烏斯卡斯對(duì)流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在很茹卡烏斯卡斯對(duì)流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在很 寬的寬的 數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式。數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式。 式中：定性溫度為進(jìn)出口流體平均溫度；式中：定性溫度為進(jìn)出口流體平均溫度； 按管按管 束的平均壁溫確定；束的平均壁溫確定； 數(shù)中的流速取管束數(shù)中的流速取管束 中最小截面的平均流速；特征長度為管子外中最小截面的平均流速；特征長度為管子外 徑。徑。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：PrPrwRe。Pr0.6 500順排（順排（1616排）排）15/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Trans

4、fer Heat Transfer叉排（叉排（1616排）排）管排修正系數(shù)管排修正系數(shù)e en16/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer例題例題6-5,P2626-5,P26217/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)式18/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer一、工程背景一、工程背景1.1.暖氣管散熱暖氣管散熱4.4.冰箱冰箱( (冰箱里食物不要裝得太滿冰箱里食物不要裝得太滿) )2.2.室外變壓器散熱室外變壓器散熱3.3.事故條件下核反應(yīng)堆散

5、熱事故條件下核反應(yīng)堆散熱5.5.電子器件冷卻電子器件冷卻19/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer二、現(xiàn)象及特點(diǎn)二、現(xiàn)象及特點(diǎn)1.1.定義：自然對(duì)流是由于流體中各部分密度不均勻而定義：自然對(duì)流是由于流體中各部分密度不均勻而引起的一種流動(dòng)與換熱現(xiàn)象，其流動(dòng)與換熱過程不可引起的一種流動(dòng)與換熱現(xiàn)象，其流動(dòng)與換熱過程不可分割地聯(lián)系在一起分割地聯(lián)系在一起驅(qū)動(dòng)力：溫度場(chǎng)不均勻驅(qū)動(dòng)力：溫度場(chǎng)不均勻; ;重力作用重力作用不均勻的溫度場(chǎng)不一定引起自然對(duì)流不均勻的溫度場(chǎng)不一定引起自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流不同，不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)與強(qiáng)制對(duì)流不同，不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)2.2.理解

6、理解換熱很弱，通常為主要熱阻，但經(jīng)濟(jì)、安全、平靜換熱很弱，通常為主要熱阻，但經(jīng)濟(jì)、安全、平靜物體表面上總換熱量常需同時(shí)考慮與周圍氣體間的物體表面上總換熱量常需同時(shí)考慮與周圍氣體間的自然對(duì)流以及與周圍其它表面間的輻射換熱自然對(duì)流以及與周圍其它表面間的輻射換熱(50%)(50%)20/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer3.3.自然對(duì)流換熱現(xiàn)象的速度與溫度分布特點(diǎn)自然對(duì)流換熱現(xiàn)象的速度與溫度分布特點(diǎn)Tw T思考：思考：Tw Tyla m in a rtu rb u len tx22/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer23/4

7、3傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer24/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer三、自然對(duì)流換熱現(xiàn)象的控制方程及相似特征數(shù)三、自然對(duì)流換熱現(xiàn)象的控制方程及相似特征數(shù)1.1.以豎直平板上空氣被加熱為例以豎直平板上空氣被加熱為例uvContinuity Eq. 0 xy22ttEnergy Eq. uxyytva22u1uMomentumn Eq. uxyxyudpvgd pgxconst邊界層外緣：dpgdx ggggtt g tt22uuuxyyuvg tt浮升力浮升力( (buoyancy force) )是重力與壓力梯度綜

8、合作用結(jié)果是重力與壓力梯度綜合作用結(jié)果25/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer2.2.相似特征數(shù)的導(dǎo)出相似特征數(shù)的導(dǎo)出00,wTTuvxyUVXYuuLLTT20u l2220U1UUXYRe Ywg ttlUVu無量綱化無量綱化221UXYRePrYV20wg ttlu32wg ttl浮升力與粘性力之比的一種度量浮升力與粘性力之比的一種度量26/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer3.3.相似特征數(shù)方程相似特征數(shù)方程Re,Pr,NufGrPr,NufGr四、大空間自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式四、大空間自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1

9、.1.均勻壁溫均勻壁溫實(shí)用關(guān)聯(lián)式形式實(shí)用關(guān)聯(lián)式形式說明說明PrnnNuC GrC RaC及及n見表見表610， tm=(tw+t)/2，特征長度為表面高度，特征長度為表面高度l (豎平板及豎圓柱豎平板及豎圓柱)，外徑，外徑d(橫圓柱橫圓柱)a.a.上式雖然是對(duì)均勻壁溫得出，但對(duì)非均勻壁溫情上式雖然是對(duì)均勻壁溫得出，但對(duì)非均勻壁溫情形也近似適用，取其形也近似適用，取其平均壁溫平均壁溫計(jì)算計(jì)算b.Grb.Gr中中，氣體按理想氣體處理，氣體按理想氣體處理， =1/T=1/T，液體，液體查物性手冊(cè)查物性手冊(cè)27/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transferd.d.豎圓柱可以

10、歸為豎壁的條件：豎圓柱可以歸為豎壁的條件：c.c.一般一般: :1 4,laminar flow1 3,turbulent flowne.e.在湍流范圍以內(nèi)，在湍流范圍以內(nèi)，Nu中的中的l與與Gr中的中的l 可以消掉，可以消掉，h與高度與高度l無關(guān)無關(guān)，“自?；阅；?435GrHdH28/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer2.2.均勻熱流均勻熱流?wT Gr?34*22GrGrNugtl lhg ql *NuGr Pr,6 11mBBm及 見表式中式中：定性溫度取平均溫度，特征長度對(duì)矩形取短邊長。定性溫度取平均溫度，特征長度對(duì)矩形取短邊長。29/43傳

11、熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer例例6-6 6-6 室溫為室溫為1010的大房間中有一個(gè)直徑為的大房間中有一個(gè)直徑為15cm15cm的煙囪，其的煙囪，其豎直部分高為豎直部分高為1.5m1.5m，水平部分長，水平部分長15m15m。求煙囪的平均壁溫為。求煙囪的平均壁溫為 110 110 時(shí)，每小時(shí)的對(duì)流散熱量。時(shí)，每小時(shí)的對(duì)流散熱量。解：平均溫度解：平均溫度Ctttowm602/110102/由附錄查得，由附錄查得，60 60 時(shí)空氣的物性時(shí)空氣的物性3/060. 1mkgKkgkJcp/005. 1KmW/029. 0smv/1097.1826（1 1）煙囪豎

12、直部分的散熱）煙囪豎直部分的散熱1022632231076. 260273/1097.18101105 . 1/8 . 9KsmCmsmvtlgGro30/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer10101092. 1696. 01076. 2PrGr由表由表6-106-10知知1/3100.111.92 10295Nu 20.029/2955.70/1.5Wm KhNuWmKlm13.14 0.15 1.5 5.70 100403wdlh ttW 31/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer（2 2）煙筒水平部分的散熱）煙筒水

13、平部分的散熱3372269.8 0.151002.76 1018.97 1027360gtlGrv由表由表6-106-10知是層流知是層流670.257Pr8.2 10.6961.92 100.482.76 1031.8GrNu所以所以20.02931.86.15/0.15hWmK23.14 0.15 15 6.15 1004345W 1240343454748W 32/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer五、有限空間自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式五、有限空間自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式兩種最簡單而典型的有限空間自然對(duì)流兩種最簡單而典型的有限空間自然對(duì)流1.1.豎夾層豎夾

14、層( (雙層窗雙層窗) )2.2.水平夾層水平夾層( (太陽能集熱器的空氣夾層太陽能集熱器的空氣夾層) )Tw 2Tw1qTw1Tw 2Hq33/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer3.3.特點(diǎn)：夾層厚度對(duì)流動(dòng)開展有重要影響，冷熱面溫特點(diǎn)：夾層厚度對(duì)流動(dòng)開展有重要影響，冷熱面溫差是引起流動(dòng)的動(dòng)力，一般以差是引起流動(dòng)的動(dòng)力，一般以為特征長度，為特征長度，(th - tc)為為計(jì)算計(jì)算Gr的溫差的溫差32GrhcgttNuh2hcrmttttGr,純導(dǎo)熱向?qū)恿魈卣鬟^渡的流動(dòng)(環(huán)流)層流特征流動(dòng)湍流特征流動(dòng)2860Gr2430，豎夾層夾層換熱為純導(dǎo)熱，水平夾層另外

15、經(jīng)常需考慮輻射換熱另外經(jīng)常需考慮輻射換熱34/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer4.4.實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1 9NuGr PrnHC豎夾層10.1974 10.0733nCCn，層流，層流，湍流，湍流水平夾層NuGr Pr nCH10.2124 10.0613nCCn，層流，層流，湍流，湍流 3557層流:Gr =8.610 -2.910湍流:Gr =2.910 -1.610 455層流:Gr =10 -4.6 10湍流:Gr4.6 1035/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer例例6-8 6-8 一個(gè)豎封閉夾層，兩壁

16、由邊長為一個(gè)豎封閉夾層，兩壁由邊長為0.5m0.5m的方形壁組成，的方形壁組成，兩壁間距為兩壁間距為15mm15mm，溫度分別為，溫度分別為100 100 ，40 40 。試計(jì)算通過此。試計(jì)算通過此空氣夾層的自然對(duì)流換熱量?？諝鈯A層的自然對(duì)流換熱量。解：定性溫度為兩壁的平均溫度解：定性溫度為兩壁的平均溫度CCCtttooowwm70240100221從附錄查得空氣物性為從附錄查得空氣物性為694.0Pr,/0296.0/1002.20,/029.1263KmWsmvmkg對(duì)于空氣：對(duì)于空氣：1310915. 234311KKTm36/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Tr

17、ansfer42263313210444. 1694. 0/1002.2010156010915. 2/8 . 9smmCKsmGro按式按式6-466-46計(jì)算，即計(jì)算，即335. 1015. 05 . 010002. 1197. 091414Nu所以所以KmWmKmWh2/63. 2015. 0/0296. 0335. 1自然對(duì)流換熱量按牛頓冷卻公式計(jì)算自然對(duì)流換熱量按牛頓冷卻公式計(jì)算WCmKmWthAoc5 .396025. 0/63. 22237/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer六、六、 自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流并存的混合對(duì)流自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流并存的混

18、合對(duì)流在對(duì)流換熱中有時(shí)需要既考慮強(qiáng)制對(duì)流亦考慮自然對(duì)流在對(duì)流換熱中有時(shí)需要既考慮強(qiáng)制對(duì)流亦考慮自然對(duì)流考察浮升力與慣性力的比值考察浮升力與慣性力的比值 一般認(rèn)為，一般認(rèn)為， 時(shí)，自然對(duì)流的影響不能忽略，時(shí)，自然對(duì)流的影響不能忽略， 而而 時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流的影響相對(duì)于自然對(duì)流可以時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流的影響相對(duì)于自然對(duì)流可以 忽略不計(jì)。忽略不計(jì)。 322222RegtlGru l2/Re0.1Gr2/Re10Gr自然對(duì)流對(duì)總換熱量的影響低于自然對(duì)流對(duì)總換熱量的影響低于1010的作為純強(qiáng)制對(duì)流；的作為純強(qiáng)制對(duì)流；強(qiáng)制對(duì)流對(duì)總換熱量的影響低于強(qiáng)制對(duì)流對(duì)總換熱量的影響低于1010的作為純自然對(duì)流；的作為純自然對(duì)流；

19、這兩部分都不包括的中間區(qū)域?yàn)榛旌蠈?duì)流。這兩部分都不包括的中間區(qū)域?yàn)榛旌蠈?duì)流。38/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer本章作業(yè)本章作業(yè)6-6、6-10、6-21、 6-26 、 6-37、6-43 、 6-5339/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer單相對(duì)流換熱總結(jié)單相對(duì)流換熱總結(jié)40/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer1.1.對(duì)流換熱是如何分類的對(duì)流換熱是如何分類的? ? 影響對(duì)流換熱的主要物理因素影響對(duì)流換熱的主要物理因素. .2.2.對(duì)流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫中包括那些方程對(duì)流換熱

20、問題的數(shù)學(xué)描寫中包括那些方程? ?3.3.自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流在數(shù)學(xué)方程的描述上有何本質(zhì)區(qū)別自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流在數(shù)學(xué)方程的描述上有何本質(zhì)區(qū)別? ?4.4.從流體的溫度場(chǎng)分布可以求出對(duì)流換熱系數(shù)從流體的溫度場(chǎng)分布可以求出對(duì)流換熱系數(shù)( (表面?zhèn)鳠嵯当砻鎮(zhèn)鳠嵯?數(shù)數(shù)), ), 其物理機(jī)理和數(shù)學(xué)方法是什么其物理機(jī)理和數(shù)學(xué)方法是什么? ?5.5.速度邊界層和溫度邊界層的物理意義和數(shù)學(xué)定義速度邊界層和溫度邊界層的物理意義和數(shù)學(xué)定義. .6.6.管外流和管內(nèi)流的速度邊界層有何區(qū)別管外流和管內(nèi)流的速度邊界層有何區(qū)別? ?7.7.為什么說層流對(duì)流換熱系數(shù)基本取決與速度邊界層的厚度為什么說層流對(duì)流換熱系數(shù)基本取決

21、與速度邊界層的厚度? ?8.8.從邊界層積分方程的應(yīng)用結(jié)果來說明從邊界層積分方程的應(yīng)用結(jié)果來說明. .9.9.為什么溫度邊界層厚度取決與速度邊界層的厚度為什么溫度邊界層厚度取決與速度邊界層的厚度? ?10.10.對(duì)十分長的管路對(duì)十分長的管路, , 為什么在定性上可以判斷管路內(nèi)層流為什么在定性上可以判斷管路內(nèi)層流 對(duì)流換熱系數(shù)是常數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)是常數(shù)? ?41/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer11.11.如何使用邊界層理論簡化對(duì)流換熱微分方程組如何使用邊界層理論簡化對(duì)流換熱微分方程組? ?12.12.如何將邊界層對(duì)流換熱微分方程組轉(zhuǎn)化為無量綱形式如何將邊界

22、層對(duì)流換熱微分方程組轉(zhuǎn)化為無量綱形式? ?13.13.為什么說對(duì)強(qiáng)制對(duì)流換熱問題為什么說對(duì)強(qiáng)制對(duì)流換熱問題, , 總可以有總可以有: Nu=f(Re,Pr) : Nu=f(Re,Pr) 的數(shù)學(xué)方程形式的數(shù)學(xué)方程形式? ?14.14.什么是特性長度和定性溫度什么是特性長度和定性溫度? ? 選取特性長度的原則是什么選取特性長度的原則是什么? ?15.15.對(duì)管內(nèi)流和管外流對(duì)管內(nèi)流和管外流, Re, Re準(zhǔn)則數(shù)中的特性長度的取法是不一準(zhǔn)則數(shù)中的特性長度的取法是不一 樣的樣的. . 說明其物理原因說明其物理原因. .16.16.當(dāng)量水利直徑的定義和計(jì)算方法當(dāng)量水利直徑的定義和計(jì)算方法. .1717*

23、*. .湍流動(dòng)量擴(kuò)散率湍流動(dòng)量擴(kuò)散率, , 湍流熱擴(kuò)散率湍流熱擴(kuò)散率, , 湍流普朗特?cái)?shù)是如何湍流普朗特?cái)?shù)是如何 定義的定義的? ? 它們是物性么它們是物性么? ? 1818*. .什么是雷諾比擬什么是雷諾比擬? ? 它怎樣推導(dǎo)出摩擦系數(shù)和對(duì)流換熱系它怎樣推導(dǎo)出摩擦系數(shù)和對(duì)流換熱系 數(shù)間的比擬關(guān)系式數(shù)間的比擬關(guān)系式? ?19.19.什么是相似原理什么是相似原理? ? 判斷物理相似的條件判斷物理相似的條件? ? 相似原理在工程相似原理在工程 中有什么作用中有什么作用? ?42/43傳熱學(xué)傳熱學(xué) Heat Transfer Heat Transfer20.20.比擬和相似之間有什么聯(lián)系和區(qū)別比擬和相似之間有什么聯(lián)系和區(qū)別? ?2