無相變對(duì)流傳熱詳解

無相變對(duì)流傳熱詳解演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)優(yōu)選無相變對(duì)流傳熱當(dāng)前第2頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)流動(dòng)入口段流動(dòng)充分發(fā)展段換熱入口段換熱充分發(fā)展段流動(dòng)入口段長(zhǎng)度l的確定2.流動(dòng)和換熱的入口段及充分發(fā)展段當(dāng)前第3頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)3.局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx的變化當(dāng)前第4頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)二、管槽內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）關(guān)聯(lián)式：適用的參數(shù)范圍：式中取流體平均溫度作為定性溫度；取管子內(nèi)徑d為特征尺度；取截面的平均流速作特征速度。氣體：℃水：℃油：℃當(dāng)前第5頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)2.迪圖斯-貝爾特關(guān)聯(lián)式應(yīng)用范圍的擴(kuò)展（1）溫差超過推薦的幅度值對(duì)于液體：主要是粘性隨溫度而變化。對(duì)于氣體：除了粘性，還有密度和導(dǎo)熱系數(shù)等。

當(dāng)溫差超過推薦的幅度值后，流體熱物性將發(fā)生變化，從而對(duì)換熱產(chǎn)生影響。修正方法：當(dāng)前第6頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)（2）非圓形截面通道

對(duì)于方形、橢圓形、環(huán)形等形狀的截面情況，可以用當(dāng)量直徑作為特征尺度從而應(yīng)用以上的準(zhǔn)則方程。式中：Ac對(duì)為槽道的流動(dòng)截面積，P為潤(rùn)濕周長(zhǎng)。當(dāng)前第7頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)（3）對(duì)于短管（考慮入口效應(yīng)）

對(duì)于較短的管子及常見的尖角入口，推薦以下的修正系數(shù)：考慮溫度和短管修正后的迪圖斯-貝爾特關(guān)聯(lián)式:當(dāng)前第8頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)（4）對(duì)于彎管的修正

由于管道彎曲改變了流體的流動(dòng)方向，離心力的作用會(huì)在流體內(nèi)產(chǎn)生如圖所示的二次環(huán)流，結(jié)果增加了擾動(dòng)，使對(duì)流換熱得到強(qiáng)化。對(duì)于氣體：對(duì)于液體：當(dāng)前第9頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)三、管槽內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式適用的參數(shù)范圍：1.齊德—泰勒（Sieder-Tate）關(guān)聯(lián)式管子處于均勻壁溫當(dāng)前第10頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)2.層流充分發(fā)展換熱的Nu數(shù)對(duì)于圓管：當(dāng)前第11頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)例題：在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過內(nèi)徑為10mm、長(zhǎng)度為3m的銅管，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和65℃，試計(jì)算管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。從附錄中水的物性表中可查得W/(m·K)，m2/s，解：由于管子細(xì)長(zhǎng)，l/d較大，可以忽略進(jìn)口段的影響。冷卻水的平均溫度為當(dāng)前第12頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)W/(m2·K)以上計(jì)算沒考慮流體物性場(chǎng)不均勻的影響。如果考慮物性場(chǎng)不均勻的影響，必須求出壁面溫度，以確定是否需要考慮修正項(xiàng)?？梢允紫雀鶕?jù)冷卻水的溫升確定換量，再用上面計(jì)算的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h和牛頓冷卻公式求解壁溫。當(dāng)前第13頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)

按照概述中的分類外部流動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流換熱主要有橫掠平板、外掠單管和外掠管束等情況。5.2外掠物體時(shí)的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱當(dāng)前第14頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)一、縱掠平壁換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（以層流為例）局部對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式平均對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式適用范圍定性溫度取特征長(zhǎng)度取板長(zhǎng)x和l特征流速取來流速度當(dāng)前第15頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)二、橫掠單管（柱）對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.流動(dòng)的特征

流體橫向繞流單管時(shí)的流動(dòng)除了具有邊界層的特征外，還要發(fā)生繞流脫體，而產(chǎn)生回流、漩渦和渦束。當(dāng)前第16頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)邊界層的成長(zhǎng)和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。低雷諾數(shù)時(shí)，回升點(diǎn)反映了繞流脫體的起點(diǎn)。高雷諾數(shù)時(shí)，第一次回升是層流轉(zhuǎn)變成湍流的原因，第二次回升約在則是由于脫體的緣故。2.換熱的特征當(dāng)前第17頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)3.平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h計(jì)算的關(guān)聯(lián)式式中C、n之值見教材表6-1定性溫度取特征長(zhǎng)度取管外徑d特征流速取來流速度當(dāng)前第18頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)三、橫掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.流動(dòng)和換熱的特征順排叉排管束的排列方式有順排和叉排兩種形式。叉排中的流動(dòng)擾動(dòng)比順排時(shí)要?jiǎng)×?，因此換熱也較強(qiáng)。此外，管束的間距s1和s2及管排數(shù)也影響換熱強(qiáng)度。當(dāng)前第19頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)2.平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h計(jì)算的關(guān)聯(lián)式式中c、m、n、k、p之值見教材表6-3。定性溫度取特征長(zhǎng)度取管外徑d特征流速取管束中最窄截面處的流速對(duì)于排數(shù)少于20排的管束，需要利用管排修正系數(shù)修正。見表6-4。斜向沖刷修正系數(shù)見表6-5。當(dāng)前第20頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)215.3自然對(duì)流換熱

主要討論重力場(chǎng)中的自然對(duì)流換熱。有溫差也并非一定會(huì)引起自然對(duì)流換熱溫差密度差浮升力自然對(duì)流自然對(duì)流換熱

根據(jù)自然對(duì)流所在空間的大小，區(qū)分有大空間自然對(duì)流換熱和有限空間自然對(duì)流換熱。

重點(diǎn)介紹大空間自然對(duì)流換熱特點(diǎn)及特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。當(dāng)前第21頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)221.自然對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)描述

以大空間內(nèi)沿垂直壁面的自然對(duì)流換熱為例。

對(duì)于常物性、無內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體沿垂直壁面的二維穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱，當(dāng)前第22頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)23

就是重力場(chǎng)中由于密度差而產(chǎn)生的浮升力項(xiàng).

對(duì)于不可壓縮牛頓流體，密度只是溫度的函數(shù)，根據(jù)體脹系數(shù)的定義慣性力項(xiàng)浮升力項(xiàng)粘性力項(xiàng)當(dāng)前第23頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)24引進(jìn)下列無量綱變量：參考速度動(dòng)量微分方程：無量綱化無量綱量令

Gr稱為格拉曉夫數(shù)，表征浮升力與粘性力相對(duì)大小，反映自然對(duì)流的強(qiáng)弱。當(dāng)前第24頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)25

和常物性、無內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體平行外掠平板穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱的無量綱微分方程組相比，多一項(xiàng)

表征浮升力與慣性力之比浮升力與慣性力數(shù)量級(jí)相同，自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流疊加的混合對(duì)流換熱。

純強(qiáng)迫對(duì)流換熱，

純自然對(duì)流換熱，當(dāng)前第25頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)262.垂直壁面二維穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流層流換熱分析結(jié)果無量綱速度分布無量綱溫度分布當(dāng)前第26頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)27當(dāng)前第27頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)28大空間垂直壁面自然對(duì)流換熱的特點(diǎn)：

（1）浮升力是自然對(duì)流的動(dòng)力，格拉曉夫數(shù)Gr對(duì)自然對(duì)流換熱起決定作用；

（2）自然對(duì)流邊界層的最大速度在邊界層內(nèi)部，其數(shù)值隨Pr增大而減小，位置向壁面移動(dòng)；

（3）對(duì)于液態(tài)金屬除外的所有流體，。隨Pr增大，層流邊界層厚度變化不大，但熱邊界層厚度迅速減小，壁面處溫度梯度增大，換熱增強(qiáng)；

（4）Gr的大小決定了自然對(duì)流的流態(tài)，絕大多數(shù)文獻(xiàn)推薦用瑞利數(shù)作為流態(tài)的判據(jù)；

（5）隨著層流邊界層的加厚，hx逐漸減小，當(dāng)邊界層從層流向紊流過渡時(shí)又增大。實(shí)驗(yàn)研究表明，在旺盛紊流階段，hx基本上不隨壁面高度變化。當(dāng)前第28頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)293.大空間自然對(duì)流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式

特征數(shù)關(guān)聯(lián)式：定性溫度：自模化當(dāng)前第29頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)30

對(duì)于豎圓柱，如果滿足下式(1)豎平壁或豎圓柱可以按垂直壁面處理。

丘吉爾（S.W.Churchill）和朱（H.H.S.Chu）提出了對(duì)等壁溫和常熱流邊界條件、對(duì)層流和湍流都適用的豎壁面自然對(duì)流換熱計(jì)算公式：適用范圍：當(dāng)前第30頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)31

對(duì)于層流更精確的公式適用范圍：

對(duì)于常熱流邊界條件下豎壁的自然對(duì)流換熱，壁面溫度未知，并且沿壁面分布不均勻，往往需要確定局部壁面溫度。引進(jìn)一個(gè)修正的局部格拉曉夫數(shù)適用范圍：，層流。當(dāng)前第31頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)32適用范圍：，湍流。定性溫度：由于tw,x未知，需采用試算法。(2)傾斜表面和水平表面

相對(duì)于鉛垂線傾角在60以內(nèi)的傾斜表面，只需用gcos代替Gr數(shù)中的g，就仍可以用豎平壁時(shí)的關(guān)聯(lián)式計(jì)算。這種計(jì)算只用于傾斜冷板的上表面或者熱板的下表面。當(dāng)前第32頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)33水平表面

對(duì)于等壁溫?zé)岚迳媳砻婊蚶浒逑卤砻娴淖匀粚?duì)流換熱Nu=0.54Ra1/4,104≤Ra≤107

Nu=0.15Ra1/3,107≤Ra≤1011以上三式的特征尺寸為平板表面積與周長(zhǎng)之比A/P

。

對(duì)于等壁溫?zé)岚逑卤砻婊蚶浒迳媳砻娴淖匀粚?duì)流換熱Nu=0.27Ra1/4,105≤Ra≤1011

當(dāng)前第33頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)34

對(duì)于常熱流熱板上表面或冷板下表面的自然對(duì)流換熱適用范圍：

對(duì)于常熱流熱板下表面或冷板上表面的自然對(duì)流換熱適用范圍：

注意：自然對(duì)流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式的定性溫度都是邊界層膜溫度，即

以上兩式的特征尺寸為平板表面積與周長(zhǎng)之比A/P，但對(duì)于矩形平板，取短邊長(zhǎng)度為特征尺寸。當(dāng)前第34頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)35

丘吉爾和朱給出了等壁溫或常熱流水平長(zhǎng)圓柱都適用的公式適用范圍：，特征長(zhǎng)度：圓柱外徑d。（3）水平圓柱表面的自然對(duì)流換熱

摩根（V.T.Morgan）給出了等壁溫水平長(zhǎng)圓柱表面的自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式當(dāng)前第35頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)36（4）球體表面的自然對(duì)流換熱

丘吉爾推薦了球體外部自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式適用范圍：特征長(zhǎng)度：球體外徑d?？諝庠谒綀A柱表面的自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式定性溫度：適用范圍：當(dāng)前第36頁(yè)\共有40頁(yè)\編于星期四\1點(diǎn)374.有限空間自然對(duì)流換熱式中e是流體的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù),對(duì)于水平夾層，導(dǎo)熱六邊形蜂窩狀環(huán)流，稱為貝納德蜂窩（Benardcells）蜂窩狀環(huán)流消失，形成湍流。當(dāng)前第37頁(yè)\共有40