熱工學(xué)基礎(chǔ) 作者 劉春澤 傳熱學(xué)第12章

1、12.1 對(duì)流換熱概述1 對(duì)流換熱過程對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象。 對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不 是基本傳熱方式2 對(duì)流換熱過程的特點(diǎn) 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng),也必須有溫差 由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)： :/教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：3 對(duì)流換熱的影響因素對(duì)流換熱是流體的導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。其影響因素主要有以下五個(gè)方面：(1)流動(dòng)起因; (2)流

2、動(dòng)狀態(tài); (3)流體的熱物理性質(zhì); (4)換熱表面的幾何因素(1) 流動(dòng)起因自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn) 生的流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生 的流動(dòng) (2) 流動(dòng)狀態(tài)層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動(dòng) （紊流）(3) 換熱表面的幾何因素：內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束(4) 流體的熱物理性質(zhì)：3 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 對(duì)流換熱量, 單位為W/m2；壁面的溫度，單位為；流體的溫度，單位為；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W(m2)。綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是眾多因素的函數(shù)：相似理論及其在對(duì)流換熱中的應(yīng)用

3、1 相似的概念 “相似”概念首先出現(xiàn)在幾何學(xué)中 。幾何學(xué)中建立起來的相似概念，可以推廣到任何一種物理現(xiàn)象。 物理現(xiàn)象之間的相似條件: 相似的物理現(xiàn)象必須是同類現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不僅要性質(zhì)相同，而且能用同樣形式和同樣內(nèi)容的數(shù)學(xué)方程式來描述； 物理現(xiàn)象相似的必要條件是幾何相似 描述現(xiàn)象性質(zhì)的切物理量均相似 努謝爾特準(zhǔn)則，反映了對(duì)流換熱強(qiáng)弱程度。 雷諾準(zhǔn)則，反映流體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱的影響。 普朗特準(zhǔn)則，反映了對(duì)流換熱強(qiáng)弱程度。2 相似準(zhǔn)則 格拉曉夫準(zhǔn)則，反映了自由流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流換熱的影響。3 相似定理 相似第一定理：凡是彼此相似的現(xiàn)象，必定具有相同的相似準(zhǔn)則 相似第二定理：相似的物理現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系

4、 相似第三定理：凡是單值性條件相似，定型準(zhǔn)則相等的現(xiàn)象必定彼此相似方程式的具體形式由實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)已知條件由準(zhǔn)則方程式求出和，再由求出對(duì)流換熱量：在穩(wěn)定條件下，對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式 :4 相似理論對(duì)流換熱中的應(yīng)用 1 相似的概念 “相似”概念首先出現(xiàn)在幾何學(xué)中 。幾何學(xué)中建立起來的相似概念，可以推廣到任何一種物理現(xiàn)象。 物理現(xiàn)象之間的相似條件: 相似的物理現(xiàn)象必須是同類現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不僅要性質(zhì)相同，而且能用同樣形式和同樣內(nèi)容的數(shù)學(xué)方程式來描述； 物理現(xiàn)象相似的必要條件是幾何相似 描述現(xiàn)象性質(zhì)的切物理量均相似 自然對(duì)流：不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)的不均勻所引起的流動(dòng)。一般地，不均勻

5、溫度場(chǎng)僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。12.3 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流亦有層流和湍流之分。層流時(shí)，換熱熱阻主要取決于薄層的厚度。旺盛湍流時(shí)，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量。自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式自然對(duì)流換熱可分成無限空間和有限空間兩類。無限空間自然對(duì)流：流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。1 無限空間自然對(duì)流 式中 C、n常數(shù)，其值可根據(jù)的數(shù)值范圍由表12-1選取，各式的定性溫度均為邊界層平均溫度m=1/2(tw+tf) 這里僅討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對(duì)流換熱。2 有限空間自然對(duì)流 對(duì)于豎空氣夾層：在夾層內(nèi)冷熱兩股流動(dòng)邊界層相互結(jié)合，形成環(huán)流 ； 夾層厚度與高度之比較大

6、，冷熱兩壁的自然對(duì)流邊界層不會(huì)互相干擾，不出現(xiàn)環(huán)流 兩壁的溫差與夾層厚度都很小，以致可認(rèn)為夾層內(nèi)沒有流動(dòng)發(fā)生，通過夾層的熱量可以按純導(dǎo)熱過程計(jì)算。 對(duì)于水平夾層：熱面在上冷熱面之間無流動(dòng)發(fā)生，如無外界擾動(dòng)則應(yīng)按導(dǎo)熱問題分析 熱面在下，對(duì)氣體1700夾層內(nèi)的流動(dòng)將出現(xiàn)圖12-3b的情形，形成有秩序的蜂窩狀分布的環(huán)流，當(dāng)5000后，蜂窩狀流動(dòng)消失，出現(xiàn)紊亂流動(dòng)。 有限空間自然對(duì)流換熱的計(jì)算，多采用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式形式，見下表，定性溫度為m=1/2(t1+t2 ),定型尺寸為夾層厚度。1 流體在管內(nèi)流動(dòng)的特征 層流和紊流 層流：過渡區(qū)：旺盛湍流：12.4 管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱 進(jìn)口段和充分發(fā)展段 :層流湍流

7、進(jìn)口段：流體從進(jìn)入管口開始，需經(jīng)歷一段距離，管內(nèi)斷面流速分布和流動(dòng)狀態(tài)才能達(dá)到定型。流動(dòng)發(fā)展段：流態(tài)定型，流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展 。截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變。一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)來考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。 溫度場(chǎng)對(duì)速度分布的影響 :2 流體在層流時(shí)的換熱實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時(shí)的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝泄?。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：管子直徑，單位為m； 管子長(zhǎng)度，單位為m 3 流體在過渡狀態(tài)時(shí)的換熱在管內(nèi)流動(dòng)的流體，當(dāng)其雷諾數(shù)在232010000之間時(shí)，是從層流到紊流的過渡狀態(tài)。 整個(gè)過渡狀態(tài)中換熱規(guī)律是多變的，選用計(jì)算公式 定性溫度為流體平均溫度 ，管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度

8、。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：4 流體在紊流時(shí)的換熱 1 流體在管內(nèi)流動(dòng)的特征 層流和紊流 層流：過渡區(qū)：旺盛湍流： 1 外掠單管 外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制。 橫掠單管：流體沿著 垂直于管子軸線的方 向流過管子表面。流 動(dòng)具有邊界層特征， 還會(huì)發(fā)生繞流脫體。12.5 流體在圓管外橫向流過時(shí)的換熱 邊界層的成長(zhǎng)和脫體決了外掠圓管換熱的特征。 雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯?？刹捎靡韵路侄蝺绱侮P(guān)聯(lián)式：式中：C及n的值見下表；定性溫度為特征長(zhǎng)度為管外徑； 數(shù)的特征速度為來流速度2 外掠光滑管束 外掠管束在換熱器中最為常見。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并難于清洗。影響管束換熱的因素除 數(shù)外，還有：叉排或順排；管間距；管束排數(shù)等。后排管受前排管尾流的擾動(dòng)作用對(duì)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到10排以上的管子才能消失。這種情況下，先給出不考慮排數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式，再采用管束排數(shù)的因素作為修正系數(shù)。管束換熱的準(zhǔn)則方