第4章 對流換熱-2

1、熱工學熱工學1 1強制對流換熱及其實驗關(guān)聯(lián)式強制對流換熱及其實驗關(guān)聯(lián)式1.1. 管槽內(nèi)強制對流流動與換熱的特點管槽內(nèi)強制對流流動與換熱的特點內(nèi)部流動過程中，一側(cè)固體表面上的邊界層在內(nèi)部流動過程中，一側(cè)固體表面上的邊界層在形成和發(fā)展過程中可能受到另一側(cè)固體表面的形成和發(fā)展過程中可能受到另一側(cè)固體表面的限制，形成邊界層干擾或匯合限制，形成邊界層干擾或匯合熱工學熱工學2 2流動入口段：速度邊界層厚度由零發(fā)展到匯流動入口段：速度邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心合于通道中心換熱入口段：熱邊界層厚度由零發(fā)展到匯合換熱入口段：熱邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心，換熱強度由最高而逐漸減弱于通道中心，換熱強

2、度由最高而逐漸減弱充分發(fā)展段充分發(fā)展段0ux0 x熱工學熱工學3 3兩種典型邊界條件下，流體溫度與壁面溫度沿兩種典型邊界條件下，流體溫度與壁面溫度沿主流方向的變化曲線主流方向的變化曲線均勻熱流密度均勻熱流密度 / 均勻壁溫均勻壁溫uniform heat flux / uniform wall temperature熱工學熱工學4 4紊流（紊流（Turbulent flow）熱工學熱工學5 5特征長度；截面平均速度；截面平均溫度特征長度；截面平均速度；截面平均溫度dcmcAudAuAccpfpAAc t udAtcudA熱工學熱工學6 62.2. 管內(nèi)湍流換熱計算管內(nèi)湍流換熱計算 迪圖斯迪圖斯

3、-貝爾特（貝爾特（Dittus-Boelter）公式）公式0.8fff0.023RePrnNu 0.4,n 加熱流體0.3,n 冷卻流體三大特征量三大特征量特征尺度：內(nèi)徑特征尺度：內(nèi)徑di定性溫度：定性溫度：tf =(tin+tout)/2特征流速特征流速熱工學熱工學7 7適用范圍適用范圍 Ref =104 1.2105，旺盛湍流，旺盛湍流 Prf =0.7 120，包括空氣、水、油，包括空氣、水、油 l/d60，平均換熱系數(shù)；如果是短管則需，平均換熱系數(shù)；如果是短管則需修正修正 邊界條件：給定溫度或給定熱流邊界均可邊界條件：給定溫度或給定熱流邊界均可 適用于流體與壁面具有中等以下溫差的場合適

4、用于流體與壁面具有中等以下溫差的場合熱工學熱工學8 8t = tw - tf氣氣50水水2030油油10中等溫差，非中等溫差，非tin - tout思考：思考： 不適用于液態(tài)金屬：不適用于液態(tài)金屬：Prf 10-3到到10-2的量級的量級12060tw=50air 熱工學熱工學9 9應(yīng)用范圍擴大應(yīng)用范圍擴大 短管短管l/d25%，偏差，偏差1，通常為油，通常為油類類)，層流時換熱整個管子都可能處于入，層流時換熱整個管子都可能處于入口段而未進入充分發(fā)展段口段而未進入充分發(fā)展段換熱的熱邊界條件對換熱影響顯著換熱的熱邊界條件對換熱影響顯著層流充分發(fā)展段層流充分發(fā)展段Nu與與Re無關(guān)無關(guān) Nu=3.6

5、6（恒壁溫）；（恒壁溫）；Nu=4.36（恒熱流）（恒熱流）3.3. 管內(nèi)層流（管內(nèi)層流（laminar flow）強制對流換熱計算）強制對流換熱計算 層流換熱特點層流換熱特點( (Re10消失消失 沖刷方向有影響（沖角）沖刷方向有影響（沖角）熱工學熱工學2424熱工學熱工學2525平均換熱特性的實驗關(guān)聯(lián)式平均換熱特性的實驗關(guān)聯(lián)式f1f,maxfw2kpmnzPrsNuCRePrPrs 熱工學熱工學2626 注意：注意： tf、tw、d、umax C、m、n、k、p：表：表4-4（P.158）f1f,maxfw2kpmnzPrsNuCRePrPrs z 由由表表4-5查?。ú槿。≒.159）熱

6、工學熱工學2727三、自然對流換及其熱實驗關(guān)聯(lián)式三、自然對流換及其熱實驗關(guān)聯(lián)式 工程背景工程背景 暖氣管散熱暖氣管散熱 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) ) 室外變壓器散熱室外變壓器散熱 輸電線的散熱輸電線的散熱 電子器件冷卻電子器件冷卻熱工學熱工學2828 現(xiàn)象及特點現(xiàn)象及特點定義：定義：不依靠不依靠外力推動，由流體外力推動，由流體自身溫度場自身溫度場不均勻不均勻所引起的流動所引起的流動驅(qū)動力：溫度場不均勻驅(qū)動力：溫度場不均勻 密度的不均勻密度的不均勻 浮浮升力升力不均勻的溫度場不一定引起自然對流不均勻的溫度場不一定引起自然對流與強制對流不同，不依靠泵或風機等外力

7、推動與強制對流不同，不依靠泵或風機等外力推動換熱很弱，但經(jīng)濟、安全、平靜換熱很弱，但經(jīng)濟、安全、平靜物體表面上總換熱量常需同時考慮與周圍氣體間物體表面上總換熱量常需同時考慮與周圍氣體間的自然對流以及與周圍其它表面間的輻射換熱的自然對流以及與周圍其它表面間的輻射換熱熱工學熱工學2929 速度與溫度分布的特點速度與溫度分布的特點Tw T熱工學熱工學3030層流層流湍流湍流判別流態(tài)的特征數(shù)是判別流態(tài)的特征數(shù)是Gr數(shù)數(shù)（不是不是(GrPr)） 自然對流的兩種流動狀態(tài)自然對流的兩種流動狀態(tài) 分類分類大空間（邊界層不受干擾）大空間（邊界層不受干擾）(infinite space)有限空間（空間大小對換熱效

8、果有影響）有限空間（空間大小對換熱效果有影響）(natural convection in enclosure)TTw Tylaminarturbulentx熱工學熱工學31 31熱工學熱工學3232熱工學熱工學3333 大空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式大空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式說明說明 tm=(tw+t)/2 Gr中中V：氣體按理想氣體處理：氣體按理想氣體處理V=1/Tm、液體、液體查物性手冊查物性手冊mmnNuC Gr Pr 特征長度：表面高度特征長度：表面高度H（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）（表表4-6、P.162）熱工學熱工學3434 豎圓柱可以歸

9、為豎壁的條件：豎圓柱可以歸為豎壁的條件： 一般一般:1 4,laminar flow1 3,turbulent flown14H35GrdH熱工學熱工學3535 有限空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式有限空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式兩種最簡單而典型的有限空間自然對流兩種最簡單而典型的有限空間自然對流豎夾層（雙層窗）豎夾層（雙層窗）水平夾層（太陽能集熱器的空氣夾層）水平夾層（太陽能集熱器的空氣夾層）Tw2Tw1qTw1Tw2Hq熱工學熱工學3636,Gr純導熱向?qū)恿魈卣鬟^渡的流動(環(huán)流)層流特征流動湍流特征流動28602430Gr，豎夾層夾層換熱為純導熱，水平夾層熱工學熱工學3737三、對流換熱問題舉例三

10、、對流換熱問題舉例1. 在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值最大？為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹淖畲?？為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對值的大同種流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認為對嗎？的大小，你認為對嗎？2. 請比較準則數(shù)請比較準則數(shù)Nu和和Bi的異同。的異同。3. 對管內(nèi)強制對流換熱，為什么采用短管和彎對管內(nèi)強制對流換熱，為什么采用短管和彎管可以強化流體的換熱？管可以強化流體的換熱？熱工學熱工學38384. 其他條件相同時，對同一根管子進行橫向沖其他條

11、件相同時，對同一根管子進行橫向沖刷和縱向沖刷，哪一種情況下的表面?zhèn)鳠嵯邓⒑涂v向沖刷，哪一種情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？數(shù)大，為什么？5. 對有限空間的自然對流換熱，有人經(jīng)過計算對有限空間的自然對流換熱，有人經(jīng)過計算得出其得出其Nu數(shù)為數(shù)為0.5。請利用所學知識判斷這。請利用所學知識判斷這一結(jié)果的正確性。一結(jié)果的正確性。6. 電影電影泰坦尼克號泰坦尼克號里，男主人公杰克在海里，男主人公杰克在海水里被凍死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而水里被凍死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而幸存下來。試從傳熱學的觀點解釋之。幸存下來。試從傳熱學的觀點解釋之。熱工學熱工學39397. 在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值最大？為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹淖畲?？為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以