传热学第六 单相对流传热的实验关联式.ppt

§6-5 大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近传热壁面的薄层之内。 例如：暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热 一、自然对流传热现象的特点 边界层中速度与温度分布 波尔豪森分析解与施密特－贝克曼实测结果 竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比 自然对流亦有层流和湍流之分。 层流时，传热热阻主要取决于薄层的厚度。 旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。 从对流传热微分方程组出发，可得到自然对流传热的准则方程式 参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。 在 方向， ，并略去二阶导数。 二、 自然对流传热的控制方程与相似特征数 将此关系带入上式得 引入体积膨胀系数 ： 由于在薄层外 ，从上式可推得 代入动量方程并令 改写原方程 采用相似分析方法，以 及 分别作为流速、长度及过余温度的标尺，得 式中 。 进一步化简可得 式中第一个组合量 是雷诺数，第二个组合量可改写为（与雷诺数相乘）： 称为格拉晓夫数,是层流向湍流转变的判据。 在物理上， 数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。 数的增大表明浮升力作用的相对增大。 自然对流传热准则方程式为 自然对流传热可分成大空间和有限空间两类。 大空间自然对流：流体的冷却和加热过程互不影响，边界层不受干扰。 如图两个热竖壁，可按大空间自然对流处理的条件： 底部封闭， 底部开口时，只要 三、大空间自然对流传热实验关联式 1. 大空间和有限空间自然对流 工程中广泛使用的是下面的关联式： 对于符合理想气体性质的气体， 。 2.均匀壁温边界条件的大空间自然对流 式中：定性温度采用边界层的算术平均温度。 特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。 常数C和n的值见下表。 注：竖圆柱与竖壁用同一个关联式只限于以下情况： 式中定性温度为（tw+t∞)/2，特征长度L=Ap/P，其中Ap和P分别为平板的传热面积和周界长度。 3.均匀热流边界条件 对于常热流边界条件下的自然对流，往往采用下面方便的专用形式： 式中：定性温度取平均温度 ，特征长度对矩形取短边长。 封闭夹层示意图 4. 有限空间自然对流传热 夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度 为特征长度的 数： 当 极低时传热依靠纯导热： 对于竖直夹层，当 对于水平夹层，当 另：随着 的提高，会依次出现向层流特征过渡的流动（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流动。 对竖夹层，纵横比 对传热有一定影响。 一般关联式为 ①对于竖空气夹层，推荐以下实验关联式： ②对于水平空气夹层，推荐以下关联式： 式中：定性温度均为 数中的特征长度均为 。 对竖空气夹层， 的实验验证范围 实际上，除了自然对流外，夹层中还有辐射传热，此时通过夹层的传热量应是两者之和。 5. 自然对流与强制对流并存的混合对流 在对流传热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流考察浮升力与惯性力的比值 时，自然对流的影响不能忽略。 一般认为， 混合对流 而 时，强制对流的影响相对于自然对流可以忽略不计。 推荐一个简单的混合对流的实验关联式 两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。 n之值常取为3。 式中： 为混合对流时的 数，而 、 则为按给定条件分别用强制对流及自然对流准则式计算的结果。 * §6-3 内部流动强制对流传热实验关联式 一、管槽内强制对流流动和传热的特征 1.流动有层流和湍流之分 层流： 过渡区： 旺盛湍流： 2.入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度: 湍流时: 层流 湍流 3.热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的传热系数差别明显。 定性温度：计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温度（或进出口截面平均温度）。 在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后，采用下式确定该截面上流体的平均温度： 4.流