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10传热学对流换热3)_781903945.pdf

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第十讲 一、 管内对流传热概述 5. 5 管内层流对流换热 当流体流过管内,其温度与管壁温度不同 时,流体与管壁之间产生的热量传递过程。 第十讲 d d m s p t q P x mc = d Pdp m smc t q x= ( )d d m s m p t P h t t x mc = − ts为管壁温度,tm为流体截面的平均温度,P为 截面周长 微元的热平衡关系式 ( )s s mq h t t= − 对流传热 关系式 根据牛顿冷却定律 1、管内对流传热关系式 第十讲 m s p dt q P const dx mc = = ( ) s m mi p q P t x t x mc = + 2、等热流边界条件 流体平均温度随x线性变化 sq const= 积分并带入进口条件,得到流体平均温度 的轴向分布: 第十讲 3、等壁温边界条件 x处管壁和流体的温差与进口处管壁和流 体的温差之比随x呈指数规律变化 ( ) ( ) d d d d m s p m m st t x t P h t t x mc − = − −= ( ) p d t Ph dx t mc ∆ = − ∆ ( ) 0 x i t x p pt d t Ph Phdx x t mc mc ∆ ∆ ∆ = − = − ∆∫ ∫ expx s mx i s mi p t t t Ph x t t t mc ⎛ ⎞∆ − = = −⎜ ⎟⎜ ⎟∆ − ⎝ ⎠ ts为常数 对流传热 关系式 第十讲 第十讲 称为对数平均温差 ( ) ( ) ( )( ) ( ) sconv p mo mi p mi mo p i o sq mc t t mc t t mc t t t t= − = − − − = ∆ − ∆ mconv tAhq ∆= mt∆ 平均换热温差 i o io m t t ttt ∆ ∆ ∆−∆ =∆ ln 定义表面平均 传热系数 4、平均换热温差 第十讲 1、管内层流流动 二、光滑圆管内的层流流动 第十讲 • 当均匀来流进入圆管后,速度分布不断变 化,由于粘性作用,壁面处速度为零,流 体被排挤到中间,中心速度不断增大; • 若流体为不可压,则变化到一定程度后, 由于质量守恒,速度剖面不再变化,达到 所谓充分发展状态。 2、管内层流流动的特点 第十讲 动量方程 2 2 d d x u r ur rrx P r uv x uu r ∂ ∂ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ +−= ∂ ∂ + ∂ ∂ µµ 1 ( ) 0r u rv x r r ∂ ∂ + = ∂ ∂ 3、管内流动的微分方程组(圆柱坐标) 连续方程 第十讲 速度剖面不再变化,所以有: 0r r u const r = ∂ = ∂ 对于充分发展的管内流动,有: 0,0 = ∂ ∂ = x uvr const x P = d d 0r u const r τ µ = ∂ = = ∂ 2 20; 0 rv u r x ∂ ∂ = = ∂ ∂ 方程的简化 第十讲 ;0,0 == urr d d d d ur c r r r µ ⎛ ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 0 d d,0 == r ur 边界条件: 微分方程 简化为 2 2 d d x u r ur rrx P r uv x uu r ∂ ∂ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ +−= ∂ ∂ + ∂ ∂ µµ 第十讲 2 2 0 2 0 1 4 r rcu rµ ⎛ ⎞ = − −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 4、方程的解 截面平均速度: 1 m A u udA A = ∫ 0 2 2 0 2 20 0 0 1 1 2 4 r cr r rdr r r π µπ ⎛ ⎞ = − −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ∫ 2 0 8 cr µ = − 注意:平均速度是已知的! 如何确定常数c? 第十讲 2 2 0 2 1-m ru u r ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 局部速度与平均速度的关系: 壁面切应力 0 w r r u r τ µ = ∂ = ∂ 摩擦系数 2 2 1 m w f u c ρ τ = 0 8 16 Ref m c r u µ ρ = = 0 4 mu r µ = − 第十讲 νµ ρ dudu mm ==Re 重要的无因次参数,称为雷诺数。物理意义? 流体力学中计算管内压降或阻力,常 引入Darcy阻力系数 2 2 1 mud lfP ρ⋅⋅=∆ 644 Ref f c= =阻力系数与摩 擦系数的关系 惯性力与粘性力的相对大小。 第十讲 讨 论 • f 和cf的英文写法,都用frictional coefficient, 请注意其区别; • 充分发展的概念; • 微尺度气体流动的特点:层流;速度剖面 随马赫数变化;无充分发展;阻力增加。 第十

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