传热学课件第5章4.ppt

5-7 内部强制对流换热实验关联式 Department of Power Engineering, North China Electric Power University (Beijing 102206) 杨立军 知识产权与使用权归华北电力大学能源与动力工程学院所有 NCEPU NCEPUBJ Department of Power Engineering, North China Electric Power University (Beijing 102206) 主讲：杜小泽 知识产权与使用权归华北电力大学（北京）动力工程系所有 NCEPUBJ Department of Power Engineering, North China Electric Power University (Beijing 102206) 1. 管内流动的特点 （1）流态 对于工业和日常生活中常用的光滑管道， 层流 um 为截面平均流速，根据不可压缩流体的质量守恒， 层流到紊流的过渡阶段 旺盛紊流 qV 为体积流量，m3/s。 （2）流动进口段与充分发展段 管内等温层流流动充分发展段具有以下特征： (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布； (c) 沿流动方向的压力梯度不变，摩擦系数f 为常数： l—管长；d—管内径。 管流压降： 层流入口段的长度： 充分发展的湍流的速度分布： 层流 湍流 湍流入口段的长度： 10 ≤( l /d ) ≤ 60 光滑管内湍流的摩擦系数： 粗糙管内湍流的摩擦系数的数值大小还与管内壁面的粗糙度有关。 2. 管内强制对流换热的特点 （1） 热进口段与热充分发展段 热充分发展段的特征： 分别为管壁温度与流体截面平均温度。 在壁面处，根据上式可得 常数（不随x变化） 对于常物性流体，由上式可得 常数。这一结论对于管内层流和紊流、等壁温和常热流边界条件都适用。 常数 局部表面传热系数的变化 进口段边界层沿x方向由薄变厚，hx由大变小，对流换热逐渐减弱。 对于管内层流，热进口段长度为 对比流动进口段长度： 热进口段长度： 由于进口段的局部表面传热系数较大，所以对于短管内的对流换热，需要考虑进口段的影响。考虑方法是先按充分发展段计算Nu，然后再乘以修正系数 当Pr=1时，热进口段长度与流动进口段长度相等。 对于管内层流换热，只要 l/d 60，就可忽略进口段的影响。对于管内湍流换热，一些文献认为只要 l/d 10，就可忽略进口段的影响。 (2) 对流换热过程中管壁及管内流体温度的变化 对于常物性流体，截面平均温度为 管内对流换热计算的牛顿冷却公式： 平均： 局部： 一般情况下，在管内对流换热过程中，管壁温度和流体温度都沿流动方向发生变化，变化规律与边界条件有关。 （a）常热流边界条件： qx＝常数，根据热平衡，流体截面平均温度tm沿流动方向一定线性变化。 根据 热进口段： 热充分发展段： hx＝常数，?tx ＝常数，壁面温度tw和tm都沿流动方向线性变化。 （b）等壁温边界条件：tw=常数 分析结果表明，温差?tx沿x方向按指数函数规律变化，tm也按同样的指数函数规律变化。 无论对于常热流还是等壁温边界条件，全管的平均换热温差可按对数平均温差计算， 如果进口温差与出口温差相差不大， ， 结果与上式偏差小于4% 。 (3) 物性场不均匀对管内对流换热的影响 换热时流体温度场不均匀，会引起物性场的不均匀。其中粘度随温度的变化最大。粘度场的不均匀会影响速度场，因此影响对流换热。 (4) 管道弯曲对管内对流换热的影响 管道弯曲，离心力的作用会在流体内产生二次环流，增加了扰动，使对流换热得到强化。弯管的曲率半径越小，流速越大，二次环流的影响越大。 在计算弯管内的对流换热时，应在直管基础上加乘弯管修正因子? R 。 气体： 液体： 3. 管内强制对流换热特征数关联式 （1） 层流换热 常物性流体在光滑管道内充分发展的层流换热的理论分析结果见表5－3(没考虑自然对流影响)： 5－3 可见，对于圆形管道，边界条件不同，对流换热强度也不同： qw = 常数，Nu = 4.36，tw = 常数，Nu = 3.66。 当量直径： Ac —流通截面面积； P — 润湿周边长度。 这是因为两种边界条件下流体的温度分布不同。 d2 d1 对于圆环形夹层