06章-单相流体对流传热.ppt

CUMT-SMCE 传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热 第六章　单相流体对流传热 6.1 管内受迫对流换热 6.2 外掠圆管对流换热 6.3 自然对流换热 */27 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 内部强制对流在工程上有大量应用： 暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等 内部强制对流与外部强制对流： 管槽内部强制对流受流道壁面的约束，边界层的发展受到限制。 （注意与外掠等温平板强制对流的区别） */27 一、进口段与充分发展段 流动亦分为层流和紊流，管内临界雷诺数Rec＝2300。 Re2300，层流；2300Re10000, 过渡区；Re10000，旺盛湍流区 2. 流动充分发展段：径向速度分量v为零，轴向速度 u 不再随 x 变化。 概念：流体从进入管口开始，经过一段距离后，管内断面流速分布和流动状态才能定型，这段距离称为进口段。此后即为流动充分发展段，其流动状态由Re数确定。 主要特点： 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 */27 若存在热交换，管内流体平均温度 tf 将不断变化，壁面温度 tw 也将发生变化。 变化规律取决于边界条件的类型（如常见的：恒热流和恒壁温）。 与流动进口段一样，管内对流换热也存在热进口段和热充分发展段。热充分发展段性质： 一、进口段与充分发展段 常物性流体在热充分发展段性质： 表面对流传热系数 hx 保持不变。 流动进口段与热进口段长度取决于Pr数。Pr1，流动进口段短； Pr1，热进口段短。 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 */27 入口段长度 l： 层流： l/d ≈ 0.05RePr （常壁温）； l/d ≈ 0.07RePr （常热流） 湍流 ： l/d ≈ 10~45 入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。 层流 Rex2300 湍流 一、进口段与充分发展段 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 层流底层 紊流层 */27 1）平均流速： 二、管内流体平均流速与平均温度 2）平均温度（确定物性及换热温差）： （1）断面方向平均温度：须已知断面速度及温度分布 （2）管长方向平均温度： dx 管段流体获得热量 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 */27 二、管内流体平均流速与平均温度 2）平均温度（断面方向和管长方向）： （2）管长方向平均温度 分别整理上式： 常热流边界（q=const）： 在常热流边界条件下，充分发展段管壁温度、流体温度均呈线性变化，且两者变化速率相等；进口段受边界层影响，h不断变小，故流体与壁面温差逐渐变大。 在计算平均温差时，取进口和出口两端温差Δt’和Δt’’的算术平均值作为全管长流体与壁面的平均温差： tf 变化? 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 */27 二、管内流体平均流速与平均温度 2）平均温度（断面方向和管长方向）： 常壁温边界（tw=const）： 上式沿管长0到x积分： 流体与壁面间温差沿管长呈指数曲线变化，那么全管长流体与壁面平均温差Δtm： 对数平均温差Δtm： 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 */27 三、物性场不均匀性 当流体与管壁之间的温差较大时，管截面上流体温度变化较大；尤其是黏性随温度的变化，导致管截面上流体速度的与等温流动不同，进而影响流体与管壁之间的热量传递。 1-等温流 2-冷却液体或加热气体 3-加热液体或冷却气体 温度的变化，还会引起密度不同，必然产生自然对流，从而影响流动及换热，对大管径、低流速或大温差时应预关注。 6.1 管内受迫对流换热 1.1 一般分析 */27 1.2 管内对流换热的实验关联式 通式（迪图斯－贝尔特公式）： 式中：定性温度取为全管长平均温度； 特征流速为管内平均流速；特征尺寸为管内径； 非圆截面管，特征长度取为当量直径 de＝4Ac/P （Ac为截面积，P为湿周）。 加热流体 n＝0.4 冷却流体 n＝0.3 得到Nu 或h 后，即可根据牛顿冷却公式计算管内湍流强制对流换热量或热流密度。 适用范围： l/d 10 的光滑圆管紊流流动充分发展段； 流体与壁面具有中等以下的温差：气体≤50℃ 水≤20～30℃ 油≤10℃； Ref104，Prf＝0.7～160； 对于恒壁温、恒热流边界条件均适用； 不适用于Pr 数很小的液态金属。 一、 紊流换热关联式 6.1 管内受迫对流换热 */27 希得-塔特关联式： 紊流换热修正