单相流体对流换热及准则关联式课件.ppt
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- 单相 流体 对流 准则 关联 课件
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1、123456789101112131415第六章 单相流体对流换热及准则关联式6.3 6.3 管内受迫强制对流流动与换热的一些特点管内受迫强制对流流动与换热的一些特点1 1 、两种流态、两种流态 层流区:层流区: ReReRe10Re10 4 42 2、入口段与充分发展段、入口段与充分发展段流动特征流动特征:流态定型,流动达到充分发展,称为流动流态定型,流动达到充分发展,称为流动充分发展段充分发展段。从进口到流动充分发展段,称为从进口到流动充分发展段,称为入口段。入口段。dumRe一般多取截面平均流速一般多取截面平均流速16层流层流湍流湍流换热特征换热特征:入口段的热边界层薄,表面传热系数高。
2、:入口段的热边界层薄,表面传热系数高。/0.05 Re Prld 层流入口段长度层流入口段长度: :/60ld湍流入口段长度湍流入口段长度17换热特征换热特征 热边界层同样存在入口段与充分发展段,热边界层同样存在入口段与充分发展段, 在进口处,边界层最薄,在进口处,边界层最薄, h h x x 具有最高值,随后降低。具有最高值,随后降低。在层流情况下,在层流情况下,h h x x趋于不变值的距离较长。趋于不变值的距离较长。在紊流情况下,当边界层转变为紊流后,在紊流情况下,当边界层转变为紊流后,h h x x将有一些回将有一些回升,并迅速趋于不变值。升,并迅速趋于不变值。工程上常利用工程上常利用
3、入口换热效果好入口换热效果好这一特点来强化设备的换热。这一特点来强化设备的换热。183 3两种热边界条件两种热边界条件均匀壁温和均匀热流均匀壁温和均匀热流 湍流:湍流:除液态金属外,两种条件的差别可不计除液态金属外,两种条件的差别可不计 层流:层流:两种边界条件下的换热系数差别明显。两种边界条件下的换热系数差别明显。19、流体平均温度以及流体与壁面的平均温差、流体平均温度以及流体与壁面的平均温差在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后,采在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后,采用下式确定该用下式确定该截面上流体的平均温度截面上流体的平均温度:定性温度:定性温度:计算物性的定性温
4、度多为计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温截面上流体的平均温度度(或进出口截面平均温度)。(或进出口截面平均温度)。ccpAfpActudAtcudA采用实验方法来测定时,应在测温点前设法将截面上各部采用实验方法来测定时,应在测温点前设法将截面上各部分的流体充分混和。分的流体充分混和。20牛顿冷却公式中的平均温差牛顿冷却公式中的平均温差 w wf f( (t t- - t t ) )m mt tmmmpffmmmpffh Ah At= q c (t -t )t= q c (t -t )mq、fftt对对恒热流恒热流条件,可取条件,可取 作为作为 。对对恒壁温恒壁温条件,截面上的局部温差是个
5、变值,应利用热平条件,截面上的局部温差是个变值,应利用热平衡式:衡式:式中式中, 为质量流量;为质量流量; 分别为出口、进口截面上的平均温度分别为出口、进口截面上的平均温度21m mtt按对数平均温差计算:lnffmwfwfttttttt当流体进口截面与出口截面的温差比在当流体进口截面与出口截面的温差比在0.50.52 2之间时,之间时,可用算术平均温差代替对数平均温差。可用算术平均温差代替对数平均温差。0.52,2wfwfwfmwfttttttttt225.7.2 5.7.2 管内强制对流换热的准则关系式管内强制对流换热的准则关系式 1. 1. 常规流体常规流体 当管内流动的雷诺数当管内流动
6、的雷诺数Re10Re104 4时,管内流体处于旺时,管内流体处于旺盛的紊流状态。盛的紊流状态。1)1)迪图斯贝尔特(迪图斯贝尔特(Dittus-BoelterDittus-Boelter)公式)公式 nNuPrRe023. 08 . 0特征长度为特征长度为d,特征流速为特征流速为um,流体物性量采用的流体物性量采用的定性温度是定性温度是 为流体的平均温度;流体为流体的平均温度;流体被加热被加热n=0.4,n=0.4,流体被冷却流体被冷却 n=0.3n=0.3。2fffttt NuhddumRe2345Re101.2 10 ,fPr0.7 120,f/60l d 。实验验证范围实验验证范围此式适
7、用与流体与壁面具有此式适用与流体与壁面具有中等以下温差中等以下温差场合。场合。50 203010tCtCCtC 气体; 水();油(1 1)变物性影响的修正)变物性影响的修正在有换热条件下,截面上的温度并不均匀,导致速度分在有换热条件下,截面上的温度并不均匀,导致速度分布发生畸变。布发生畸变。24在换热条件下,由于管中心和在换热条件下,由于管中心和靠近管壁的流体温度不同,因靠近管壁的流体温度不同,因而管中心和管壁处的流体物性而管中心和管壁处的流体物性也会存在差异。也会存在差异。特别是粘度的不同将导致有温特别是粘度的不同将导致有温差时的速度场与等温流动时有差时的速度场与等温流动时有差别。差别。
8、25 (b b)在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘)在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项以物性修正项c ct t。不均匀物性场修正方法不均匀物性场修正方法(a a)小温差时,在)小温差时,在PrPr指数上加以修正。指数上加以修正。0.5tfwcTT加热时加热时冷却时冷却时 1tcmtfwc对液体对液体受热时受热时0.11m对气体对气体m = 0.25被冷却被冷却26 (2 2)入口段的影响)入口段的影响当管子的长径比当管子的长径比l/d60l/d0.6Pr0.6的气体或液体。对的气体或液体。对PrPr数很小数很小的液态金属,换热规律完全不同。推荐光滑圆管内充分发的液态金属,换
9、热规律完全不同。推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式。展湍流换热的准则式。2. 2. 金属金属 35Re3.6 10 9.05 10 ,f2410 10fPe 。均匀壁温边界均匀壁温边界0.85.00.025ffNuPe100fPe 。特征长度为管内径,定性温度为流体平均温度。特征长度为管内径,定性温度为流体平均温度。345.7.3 5.7.3 管槽内强制对流换热关联式管槽内强制对流换热关联式管槽内强制对流换热理论分析工作比较充分,已经有许多结管槽内强制对流换热理论分析工作比较充分,已经有许多结果可供选用。果可供选用。35续表续表3637 实际工程换热设备中,层流时的换热常常处于入口段的实际
10、工程换热设备中,层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列范围。可采用下列齐德泰特公式:齐德泰特公式:0.141/3Re Pr1.86/ffffwNul d定性温度定性温度为流体平均温度为流体平均温度tf(w 按壁温按壁温tw确定)确定)特征长度为管内径特征长度为管内径,管子处于均匀壁温,管子处于均匀壁温。 实验验证范围为:实验验证范围为:0.0044 9.75fw,0.141/3Re Pr2/fffwl d。Pr0.4816700,f且管子处于均匀壁温且管子处于均匀壁温38【答答】椭圆管的换热系数大。因为椭圆管的换热系数大。因为 hdhd-0.2-0.2 ,椭圆管的椭圆管的d de e 圆
11、管的圆管的d d。对于周长相同的圆和椭圆,。对于周长相同的圆和椭圆,其中椭圆的面积小于圆的面积,而其中椭圆的面积小于圆的面积,而 d de e= 4f/U = 4f/U ,则则 d de e( (椭圆椭圆)d()d(圆圆) ) 。【例例】在流体的物性和流道截面的周长相同的条在流体的物性和流道截面的周长相同的条件下件下, ,圆管和椭圆管内单相流体的强制湍流换热圆管和椭圆管内单相流体的强制湍流换热, ,何者换热系数大何者换热系数大? ?为什么为什么 ? ?39补充:补充:求管长求管长: : 求出换热系数后,利用公式求出换热系数后,利用公式 2()()4wfmPffdh dl ttuctt如何从质量
12、流量求速度如何从质量流量求速度 42dmum40【例例】在一冷凝器中,冷却水以在一冷凝器中,冷却水以1m/s1m/s的流速流过内的流速流过内径为径为10mm10mm、长度为、长度为3m3m的铜管,冷却水的进、出口温的铜管,冷却水的进、出口温度分别为度分别为1515和和6565,试计算管内的表面传热系数。,试计算管内的表面传热系数。 【解解】由于管子细长,由于管子细长,l/d l/d 较大,可以忽略入口较大,可以忽略入口段的影响。冷却水的平均温度为段的影响。冷却水的平均温度为 Ct40C65C1521f从附录中水的物性表中可查得从附录中水的物性表中可查得 41f f=0.635W/m.k,v=0
13、.635W/m.k,vf f=0.659x10=0.659x10-6-6m m2 2/s,Pr=4.31/s,Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 426ff10521/sm100.6590.01m1m/s.udRe管内流动为旺盛紊流管内流动为旺盛紊流。 4 .91PrRe023. 04 . 0f8 . 0ffNuKmWNudh2ff/58044 .910.01mK)0.635W/(m42436.4 外部流动强制对流换热流体横掠单管、球体及管束的实验关联式外部流动:换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展,不会受到邻近壁面存在的限制。横掠单管横掠单管:流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表
14、面。流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征,还会发生绕流脱体。流动具有边界层特征,还会发生绕流脱体。5.5.4 4.1 .1 流体横掠单管的实验结果流体横掠单管的实验结果441 1 、流动特点边界层的分离、流动特点边界层的分离黏性流体流经曲面时,边界层外边界上沿曲面的速度是改黏性流体流经曲面时,边界层外边界上沿曲面的速度是改变的,所以曲面边界层内的压力也发生变化,对边界层的变的,所以曲面边界层内的压力也发生变化,对边界层的流动产生影响。流动产生影响。当流体流经曲面前驻点时,沿上表面的流速先增加一直到当流体流经曲面前驻点时,沿上表面的流速先增加一直到曲面某一点,然后降低。根
15、据伯努利方程,相应压力先降曲面某一点,然后降低。根据伯努利方程,相应压力先降低后增加。低后增加。45曲面的加速降压段:流体有足够动能继续前进。曲面的加速降压段:流体有足够动能继续前进。曲面的降速升压段:动能要转化为势能,又要克服粘滞力的曲面的降速升压段:动能要转化为势能,又要克服粘滞力的影响,动能损耗大。其结果是从壁面的某一位置影响,动能损耗大。其结果是从壁面的某一位置0 0开始速度梯开始速度梯度达到度达到0 0,壁面流体停止向前流动,并随即向相反的方向流动。,壁面流体停止向前流动,并随即向相反的方向流动。以致从以致从0 0点开始壁面流体停止向前流动,并随即向相反的方向点开始壁面流体停止向前流
16、动,并随即向相反的方向流动,该点称为绕流脱体的起点流动,该点称为绕流脱体的起点 ( ( 或称分离点或称分离点 ) ) 。 46Re10 Re0.2邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实整个实验范围内都能适用的准则式验范围内都能适用的准则式。51l注:指数注:指数C及及n值见下表,表中示出的几何尺寸值见下表,表中示出的几何尺寸 是计算是计算Nu 数及数及Re数时用的特征长度。数时用的特征长度。4、气体横掠非圆形柱体的实验关联式、气体横掠非圆形柱体的实验关联式气体横掠非圆形截面柱体或管道的对流换热也可采用上式气体横掠非圆形截面柱体或管道的对流
17、换热也可采用上式。521 22 30.41 42(0.4Re0.06Re)Pr()wNut式中:定性温度为式中:定性温度为 适用范围为:适用范围为:0.71Pr380;3.5Re=16=16排)排)56 表表6-86-8表表6-96-9576-5 自然对流换热及实验关联式例如例如:暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件:暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热的散热自然对流:自然对流:不依靠泵或风机等外力推动,由流体自身温度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。场的不均匀所引起的流动。自然对流产生的原因:自然对流产生的原因:不均匀温度场不均匀温度场造成了不
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