傳熱學(xué)-第6章課件

第六章

單相對流傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式

1第6章對流換熱第六章

單相對流傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式

1第6章2第6章對流換熱2第6章對流換熱

6-1相似原理及量綱分析1問題的提出A實驗中應(yīng)測哪些量（是否所有的物理量都測）B實驗數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣函數(shù)關(guān)系）(2)實物試驗很困難或太昂貴的情況，如何進(jìn)行試驗？相似原理將回答上述三個問題(1)變量太多3第6章對流換熱6-1相似原理及量綱分析1問題的提出A實驗中應(yīng)測特征數(shù)方程：無量綱量之間的函數(shù)關(guān)系相似原理的研究內(nèi)容：研究相似物理現(xiàn)象之間的關(guān)系，物理現(xiàn)象相似：對于同類的物理現(xiàn)象，在相應(yīng)的時刻與相應(yīng)的地點上與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對應(yīng)成比例。同類物理現(xiàn)象用相同形式并具有相同內(nèi)容的微分方程式所描寫的現(xiàn)象。物理現(xiàn)象相似的特性(2)各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關(guān)系，如常物性流體外略平板對流換熱特征數(shù)：(1)同名特征數(shù)對應(yīng)相等；4第6章對流換熱特征數(shù)方程：無量綱量之間的函數(shù)關(guān)系相似原理的研究內(nèi)容：研究相4物理現(xiàn)象相似的條件同名的已定特征數(shù)相等單值性條件相似：初始條件、邊界條件、幾何條件、物理條件測量哪些物理量：只需測量各特征數(shù)所包含的物理量實驗數(shù)據(jù)如何整理：按特征數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系整理

某一物理現(xiàn)象涉及哪些無量綱數(shù)？函數(shù)關(guān)系如何？如何進(jìn)行試驗：相似原理的指導(dǎo)下采用?；囼?第6章對流換熱4物理現(xiàn)象相似的條件測量哪些物理量：只需測量各特征數(shù)所包5無量綱量的獲得：相似分析法和量綱分析法相似分析法：在已知物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，建立兩現(xiàn)象之間的一些列比例系數(shù)，尺寸相似倍數(shù)，并導(dǎo)出這些相似系數(shù)之間的關(guān)系，從而獲得無量綱量。

以左圖的對流換熱為例，現(xiàn)象1：現(xiàn)象2：6第6章對流換熱5無量綱量的獲得：相似分析法和量綱分析法相似分析法：在已知建立相似倍數(shù)：相似倍數(shù)間的關(guān)系：

7第6章對流換熱建立相似倍數(shù)：相似倍數(shù)間的關(guān)系：7第6章對流換熱獲得無量綱量及其關(guān)系：類似地：通過動量微分方程可得：能量微分方程：貝克來數(shù)8第6章對流換熱獲得無量綱量及其關(guān)系：類似地：通過動量微分方程可得：能量微分自然對流：相似分析，可得格拉曉夫數(shù)式中：

——流體的體積膨脹系數(shù)K-1Gr——表征流體浮生力與粘性力的比值9第6章對流換熱自然對流：相似分析，可得格拉曉夫數(shù)式中：——流體的體a基本依據(jù)：

定理：n個物理量－－n-r個獨立的無量綱物理量群間的關(guān)系。r指基本量綱的數(shù)目。

b優(yōu)點:

(a)方法簡單；(b)在不知道微分方程的情況下，仍然可以獲得無量綱量例題：以圓管內(nèi)單相強(qiáng)制對流換熱為例

(a)確定相關(guān)的物理量

(2)量綱分析法：（自學(xué)）10第6章對流換熱a基本依據(jù)：定理：b優(yōu)點:(a)方法簡單；(國際單位制中的7個基本量：長度[m]，質(zhì)量[kg]，時間[s]，電流[A]，溫度[K]，物質(zhì)的量[mol]，發(fā)光強(qiáng)度[cd]因此，上面涉及了4個基本量綱：時間[T]，長度[L]，質(zhì)量[M]，溫度[

]

r=4(b)確定基本量綱r

11第6章對流換熱國際單位制中的7個基本量：長度[m]，質(zhì)量[kg]，時間[sn–r=3，三個無量綱量，選定4個基本物理量u,d,

,

為基本物理量(c)組成三個無量綱量(d)求解待定指數(shù)，以

1為例12第6章對流換熱n–r=3，三個無量綱量，(c)組成三個無量綱量(13第6章對流換熱13第6章對流換熱同理：于是有：單相、強(qiáng)制對流14第6章對流換熱同理：于是有：單相、強(qiáng)制對流14第6章對流換熱同理，對于其他情況：自然對流換熱：混合對流換熱：Nu—待定特征數(shù)（含有待求的h）Re，Pr，Gr—已定特征數(shù)強(qiáng)制對流:15第6章對流換熱同理，對于其他情況：自然對流換熱：混合對流換熱：Nu—(1)?；囼瀾?yīng)遵循的原則a模型與原型中的對流換熱過程必須相似；b單值性條件必須相似，已定特征數(shù)相等；

c物性相似通過引入定性溫度來近似實現(xiàn)1如何進(jìn)行?；囼?-2相似原理的應(yīng)用16第6章對流換熱(1)模化試驗應(yīng)遵循的原則a模型與原型中的對流換熱過程必(a)流體溫度：(2)定性溫度、特征長度和特征速度a定性溫度：相似特征數(shù)中所包含的物性參數(shù)，如：

、

、Pr等，往往取決于溫度流體沿平板流動換熱時：流體在管內(nèi)流動換熱時：(b)熱邊界層的平均溫度：(c)壁面溫度：在對流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式中，常用特征數(shù)的下標(biāo)示出定性溫度，如：使用特征數(shù)關(guān)聯(lián)式時，必須與其定性溫度一致17第6章對流換熱(a)流體溫度：(2)定性溫度、特征長度和特征速度a定b特征長度：包含在相似特征數(shù)中的幾何長度；取對于流動和換熱有顯著影響的幾何尺度不規(guī)則槽道：當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑(de)Ac——過流斷面面積，m2P——濕周，m18第6章對流換熱b特征長度：包含在相似特征數(shù)中的幾何長度；取對于流動和換c特征速度：Re數(shù)中的流體速度流體外掠平板或繞流圓柱：取來流速度管內(nèi)流動：取截面上的平均速度流體繞流管束：取最小流通截面的最大速度

19第6章對流換熱c特征速度：Re數(shù)中的流體速度流體外掠平板或繞流圓柱：取2常見無量綱(準(zhǔn)則數(shù))數(shù)的物理意義及表達(dá)式（ｐ241）

20第6章對流換熱2常見無量綱(準(zhǔn)則數(shù))數(shù)的物理意義及表達(dá)式（ｐ241）23實驗數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣函數(shù)關(guān)系）通常整理成已定準(zhǔn)則的冪函數(shù)形式：式中，c、n、m等需由實驗數(shù)據(jù)確定，通常由圖解法和最小二乘法確定

21第6章對流換熱3實驗數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣函數(shù)關(guān)系）通常整理成已定準(zhǔn)22

最小二乘法確定各常量特征數(shù)關(guān)聯(lián)式與實驗數(shù)據(jù)的偏差用百分?jǐn)?shù)表示冪函數(shù)在對數(shù)坐標(biāo)圖上是直線22第6章對流換熱22最小二乘法確定各常量特征數(shù)關(guān)聯(lián)式與實驗數(shù)據(jù)的偏差用百分（1）實驗中應(yīng)測哪些量（是否所有的物理量都測）（2）實驗數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣函數(shù)關(guān)系）（3）實物試驗很困難或太昂貴的情況，如何進(jìn)行試驗？①回答了關(guān)于試驗的三大問題：②所涉及到的一些概念、性質(zhì)和判斷方法：物理現(xiàn)象相似、同類物理現(xiàn)象、物理現(xiàn)象相似的特性、物理現(xiàn)象相似的條件、已定準(zhǔn)則數(shù)、待定準(zhǔn)則數(shù)、定性溫度、特征長度和特征速度③無量綱量的獲得：相似分析法和量綱分析法相似原理23第6章對流換熱（1）實驗中應(yīng)測哪些量（是否所有的物理量都測）（2）自然對流換熱：混合對流換熱：強(qiáng)制對流:④常見準(zhǔn)則數(shù)的定義、物理意義和表達(dá)式，及其各量的物理意義⑤模化試驗應(yīng)遵循的準(zhǔn)則數(shù)方程試驗數(shù)據(jù)的整理形式：24第6章對流換熱自然對流換熱：混合對流換熱：強(qiáng)制對流:④常見準(zhǔn)則數(shù)的定義、物復(fù)習(xí)自然對流換熱：強(qiáng)制對流:25第6章對流換熱復(fù)習(xí)自然對流換熱：強(qiáng)制對流:25第6章對流換熱6-3內(nèi)部強(qiáng)制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征1.兩種流態(tài)

層流：

過渡區(qū)：

旺盛湍流：26第6章對流換熱6-3內(nèi)部強(qiáng)制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換2.入口段和充分發(fā)展段

湍流時:

層流湍流層流入口段長度:27第6章對流換熱2.入口段和充分發(fā)展段層流湍流層流入口段長度:27第6章3.兩種典型的熱邊界條件－－均勻壁溫和均勻熱流兩種。

湍流：除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計層流：兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯

28第6章對流換熱3.兩種典型的熱邊界條件－－均勻壁溫和均勻熱流兩種。284.特征速度及定性溫度的確定

特征速度：截面平均流速。定性溫度：截面上流體的平均溫度或進(jìn)出口截面平均溫度

5.牛頓冷卻公式中的平均溫差對恒熱流條件，可取作為。對于恒壁溫條件，截面上的局部溫差是個變值，應(yīng)利用熱平衡式：29第6章對流換熱4.特征速度及定性溫度的確定29第6章對流換熱為質(zhì)量流量；分別為出口、進(jìn)口截面上的平均溫度；按對數(shù)平均溫差計算：30第6章對流換熱為質(zhì)量流量；分別為出口、進(jìn)口截面二.管內(nèi)湍流換熱實驗關(guān)聯(lián)式1.常規(guī)流體（Pr>0.6)迪貝斯－貝爾特公式：

加熱流體時冷卻流體時

式中:定性溫度：流體平均溫度特征長度：管內(nèi)徑。

實驗驗證范圍：

適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。31第6章對流換熱二.管內(nèi)湍流換熱實驗關(guān)聯(lián)式31第6章對流換熱變物性影響的修正一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)來考慮不均勻物性場對換熱的影響。32第6章對流換熱變物性影響的修正一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)來考慮不均勻物性場大溫差情形，可采用下列任何一式計算。（1）迪貝斯－貝爾特修正公式

對氣體被加熱時，

當(dāng)氣體被冷卻時，

對液體液體受熱時液體被冷卻時33第6章對流換熱大溫差情形，可采用下列任何一式計算。液體受熱時33第6章（2）采用齊德－泰特公式：

定性溫度：（按壁溫確定），特征長度：管內(nèi)徑

實驗驗證范圍為：34第6章對流換熱（2）采用齊德－泰特公式：34第6章對流換熱（3）采用米海耶夫公式：

定性溫度，特征長度：管內(nèi)徑

實驗驗證范圍為：

35第6章對流換熱（3）采用米海耶夫公式：35第6章對流換熱上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。（1）非圓形截面槽道

特征尺度：當(dāng)量直徑

注：對截面上出現(xiàn)尖角的流動區(qū)域，采用當(dāng)量直徑的方法會導(dǎo)致較大的誤差。36第6章對流換熱上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。注：對截面上出現(xiàn)尖角的

（3）螺線管

螺線管修正系數(shù)：

對于氣體對于液體（2）入口段

入口段的傳熱系數(shù)較高入口效應(yīng)修正系數(shù)：以上所有方程適用范圍：37第6章對流換熱（3）螺線管（2）入口段以上所有方程適用范圍：37第62.液態(tài)金屬推薦光滑圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱的準(zhǔn)則式：

均勻熱流邊界

實驗驗證范圍：

均勻壁溫邊界

實驗驗證范圍：特征長度為內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。38第6章對流換熱2.液態(tài)金屬38第6章對流換熱三.管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式

層流充分發(fā)展對流換熱的結(jié)果很多。39第6章對流換熱三.管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式

層流充分發(fā)展對流換熱的結(jié)果很多。3續(xù)表40第6章對流換熱續(xù)表40第6章對流換熱

41第6章對流換熱41第6章對流換熱

定性溫度特征長度：管內(nèi)徑管子處于均勻壁溫

實驗驗證范圍為：實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德－泰特公式。

42第6章對流換熱定性溫度實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口段的范解l/d>60.由迪貝斯－貝爾特公式例題6-1水流過長l=5m,壁溫均勻的直管時,從=25.3℃被加熱到=34.6℃.管子的內(nèi)徑d=20mm,水在管內(nèi)的流速為2m/s,求表面?zhèn)鳠嵯禂?shù).計算,待算出h后再推算壁溫,并校核溫差是否在適用范圍之內(nèi).水的平均溫度為以此為定性溫度,從附錄查得由此得流動處于旺盛湍流區(qū).℃43第6章對流換熱解l/d>60.由迪貝斯－貝爾特公式例題6-1水流過長由迪貝斯－貝爾特公式求h被加熱水每秒內(nèi)的吸熱量為44第6章對流換熱由迪貝斯－貝爾特公式求h被加熱水每秒內(nèi)的吸熱量為44第6章用下式計算壁溫:溫差℃,遠(yuǎn)小于20℃,在適用范圍內(nèi),故所求得的即為本題答案.6.3.4自學(xué)45第6章對流換熱用下式計算壁溫:溫差℃,遠(yuǎn)小于20℃,在適用范圍內(nèi),故所求得6-4外部流動強(qiáng)制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式

外部流動：流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展

一.橫掠單管換熱實驗關(guān)聯(lián)式

流動特征：繞流脫體46第6章對流換熱6-4外部流動強(qiáng)制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式外部流動：流動邊界局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)10<Re<1.5×105

層流脫體φ＝80-85°Re>1.5×105

湍流脫體φ＝140°Ｒe<10無脫體47第6章對流換熱局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Re>1.5×105湍流Ｒe<10無脫體平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)48第6章對流換熱平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)48第6章對流換熱可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：定性溫度：特征長度：管外徑特征速度：來流速度實驗驗證范圍：℃，49第6章對流換熱可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：49第6章對流換熱二.橫掠管束換熱實驗關(guān)聯(lián)式排列方式：叉排順排影響管束換熱的因素：1）數(shù)2）排列方式3）管間距4）管束排數(shù)等50第6章對流換熱二.橫掠管束換熱實驗關(guān)聯(lián)式排列方式：叉排影響管束換熱的因素管束的實驗關(guān)聯(lián)式（10排以上）

定性溫度：

特征長度：管外徑d

特征流速：最窄截面處的流速

實驗驗證范圍：

管束排數(shù)的影響：后排管受前排管尾流的擾動作用直到10排以上的管子才能消失。51第6章對流換熱管束的實驗關(guān)聯(lián)式（10排以上）管束排數(shù)的影響：后排管受前排管

C和m的值見下表52第6章對流換熱C和m的值見下表52第6章對流換熱排數(shù)少于10排的管束在上式基礎(chǔ)上乘以管排修正系數(shù)

值見表

53第6章對流換熱排數(shù)少于10排的管束53第6章對流換熱茹卡烏斯卡斯公式：表6-7，6-8定性溫度：進(jìn)出口流體平均溫度

特征長度：管外徑d

特征流速：最窄截面處的流速

實驗驗證范圍：54第6章對流換熱茹卡烏斯卡斯公式：表6-7，6-854第6章對流換熱

55第6章對流換熱55第6章對流換熱6-5自然對流換熱及實驗關(guān)聯(lián)式

1.速度分布2.溫度分布56第6章對流換熱6-5自然對流換熱及實驗關(guān)聯(lián)式1.速度分布56第6章57第6章對流換熱57第6章對流換熱流態(tài)：層流和湍流