傳熱學(xué)第五章對(duì)流換熱計(jì)算

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1、第五章對(duì)流換熱計(jì)算§5-1管(槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算§5-2流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算§5-3自然對(duì)流換熱計(jì)算10/4/20211§5-1管(槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算1管(槽)內(nèi)流動(dòng)換熱的特點(diǎn)流動(dòng)存在著兩個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)段，即流動(dòng)進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段和流動(dòng)充分發(fā)展區(qū)段10/4/20212進(jìn)口區(qū)：流動(dòng)和熱邊界層從零開(kāi)始增長(zhǎng)，直到匯合至管子中心線。管子進(jìn)口到邊界層匯合處的這段管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)稱為管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口區(qū)充分發(fā)展區(qū)：邊界層匯合于管子中心線以后的區(qū)域，即進(jìn)入定型流動(dòng)的區(qū)域。10/4/20213充分發(fā)展段為層流流動(dòng)為什么平均換熱系數(shù)比局部換熱系

2、數(shù)高？入口段的邊界層厚度較薄，傳熱阻力小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大（即，對(duì)流換熱強(qiáng)）10/4/20214充分發(fā)展段為湍流流動(dòng)為什么會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)？10/4/20215管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的判別10/4/20216熱進(jìn)口段隨著流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪?，熱邊界層亦有層流和紊流熱邊界層之分?0/4/20217流動(dòng)進(jìn)口段熱進(jìn)口段長(zhǎng)度：進(jìn)口段長(zhǎng)度10/4/20218熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。對(duì)于管壁熱流為常數(shù)時(shí)，流體溫度隨流動(dòng)方向線性變化，且與管壁之間的溫差保持不變，有xt入口段充分發(fā)展段tftw恒熱流時(shí)?t=C管內(nèi)流體截面上的平均溫度流體進(jìn)口平均溫度10/4

3、/20219xttw=Ctf恒壁溫時(shí)當(dāng)管壁溫度為常數(shù)時(shí)，流體的溫度隨流動(dòng)方向按如下指數(shù)規(guī)律變化利用在整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)換熱平衡關(guān)系式可得出計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均溫差表達(dá)式10/4/202110其中，tf',tf''分別為出口、進(jìn)口截面上的平均溫度。當(dāng)進(jìn)口與出口截面上的溫差比(tw-tf'')/(tw-tf')在0.5~2之間時(shí)，可按如下算術(shù)平均溫差計(jì)算，結(jié)果的差別在4%以內(nèi)。10/4/202111附：推導(dǎo)過(guò)程對(duì)于管壁熱流為常數(shù)時(shí)，取微元體dxxt入口段充分發(fā)展段tftw恒熱流時(shí)?t=C材料學(xué)院10/4/202112xttw=Ctf恒壁溫時(shí)當(dāng)

4、管壁溫度為常數(shù)時(shí)，取微元體dx10/4/2021132管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式①管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）公式特征尺寸為d，特征流速為um，流體物性量采用的定性溫度是為流體的平均溫度；流體被加熱n=0.4，流體被冷卻n=0.3。10/4/202114適用范圍：①Ref=104?1.2×105,Prf=0.7?120；②l/d?60，此時(shí)入口段的影響可忽略不計(jì)；③溫差tw-tf較小，所謂小溫差是指:對(duì)于氣體≤50℃；對(duì)于水≤20~30℃;對(duì)于油類流體≤10℃。④對(duì)恒壁溫和恒熱流邊界條件均適用；⑤

5、不適用于Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬。10/4/202115①大溫差（變物性）的修正當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時(shí)，因管截面上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的影響會(huì)發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變化導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱恒定溫度的情況管內(nèi)流動(dòng)溫度對(duì)速度分布的影響示意圖應(yīng)用范圍的擴(kuò)大10/4/202116水的動(dòng)力粘度與溫度（℃）之間的關(guān)系10/4/202117大溫差情況下計(jì)算換熱時(shí)準(zhǔn)則式右邊要乘以物性修正項(xiàng)。為什么氣體和液體的修正方式不一樣？

6、10/4/202118彎曲管道流動(dòng)情況示意圖②螺旋管或彎管彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來(lái)?yè)Q熱的增強(qiáng)。10/4/202119在平直管計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)大于1的修正系數(shù)CR。R為彎曲管的曲率半徑.10/4/202120③短管當(dāng)管子的長(zhǎng)徑比l/d<60時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng)換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時(shí)亦應(yīng)在按照長(zhǎng)管計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修正系數(shù)Cl。圖5-5顯示了不同的入口條件對(duì)入口段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。10/4/202121②管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式適用范

7、圍：Re<2200，Pr>0.6，RePrd/L>10,用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性溫度與管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式相同。由于層流時(shí)流體的進(jìn)口段比較長(zhǎng)，因而管長(zhǎng)的影響通常直接從計(jì)算公式中體現(xiàn)出來(lái)。Sieder-Tate公式：10/4/202122③管內(nèi)過(guò)渡流區(qū)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式氣體:液體:10/4/202123例1空氣以2m/s的速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流動(dòng)，入口處空氣的溫度為20℃，管壁溫度為120℃，試確定將空氣加熱至60℃所需管子的長(zhǎng)度。[解]定性溫度為tf=(20+60)/2=40℃，查出空氣的物性參數(shù)為：?=1.128kg/m

8、3，Cp=1.005kJ/kg?℃，?=2.76?10-2W/m?℃，?f=19.1?10-6kg/m?s，Pr=0.699。而當(dāng)tw=120℃時(shí)，查得?w=22.8?10-6kg/m?s。雷