单相流体对流传热特征数关联式课件.ppt

1、长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering对流传热过程微分方程0,xyxthty (,)pvhf u lca或分析解法：采用数学分析求解的方法，有指导意义。比拟法：通过研究热量传递与动量传递的共性，建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系，限制多，范围很小。实验法：通过大量实验获得表面传热系数的计算公式，是目前的主要途径。求h的方法：长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering相似原理：同名特征数对应相等；各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外掠平板对流换热特征数；凡同类现象、单值性条件相似、同名已定特征数

2、相等，那么现象必定相似。相似分析法及量纲分析法长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering1/21/30.332RePrxxNu 平均、层流:1/21/30.664RePrllNu 局部、层流：4/5x0.0296RexNu 局部、湍流：4/51/30.037 Re871 PrmNu 复合边界层：Rec=5105定性温度：tm=（t+tw）/2；特征流速：来流速度；特征尺寸：流体流动方向长度（局部/平均）。=hA=hAt tt=|tt=|tw w-t-t|长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering第六章 单相对流

3、传热的实验关联式6-1 相似原理与量纲分析6-2 相似原理的应用6-3 内部强制对流的实验关联式6-4 外部强制对流传热6-5 大空间与有限空间内自然对流传热6-6 射流冲击传热的实验关联式长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering内部强制对流的实验关联式：判别条件；换热特点（边界层发展特点）；公式适用范围；定性温度，特征流速/尺寸；换热条件。长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering一、管内强制对流换热流动和换热的特征6-3 内部强制对流的实验关联式1.管内的流动状态流动状态判断（Re）：

4、dRe=uRe230042300Re104Re10层流过渡流湍流判别条件长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering2.流动和换热的入口段及充分发展段6-3 内部强制对流的实验关联式流动入口段流动充分发展段换热入口段换热充分发展段换热入口段长度l 的确定层流湍流0.05 R e Preld60eld换热特点长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式3.局部表面传热系数hx 的变化管内对流传热系数局部表面传热系数hx的沿程变化（a）层流 （b）

5、湍流换热特点长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式4.常见的两种换热条件管子表面的换热条件有均匀热流和均匀壁温两种典型的情况。(1)均匀热流壁面和流体温度随管长的变化()wwfqh ttfwttt换热条件外掠：=hAt t=|tt=|tw w-t-t|长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式(2)均匀壁温壁面和流体温度随管长的变化1212mttttInt 当(tw-tf)/(tw-tf)在0.52之间时

6、，可按算术平均温差计算，结果的差别在4%以内。此时：wfmttt2/)(fffttt 长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式二、管槽内湍流换热实验关联式1.迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式nfffNuPrRe023.08.00.40.3wfwfttntt适用的参数范围：45Re10 1.2 10,Pr0.7120,/60ffl d气体：t50；水：t30；油：t10式中取流体平均温度作为定性温度；管子内径d为特征尺度；截面的平均流速作特征速度。长江大学机械工程学院长江大学机械工

7、程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式2.迪图斯-贝尔特关联式应用范围的扩展（1）温差超过推荐的幅度值（变物性影响）曲线1:等温流时速度分布曲线2:液体被冷却或气体被加热时速度分布曲线3:液体被加热或气体被冷却时速度分布132长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式对于液体：主要是粘性随温度变化。对于气体：除了粘性，还有密度和导热系数等。当温差超过推荐的幅度值后，流体热物性将发生变化，从而对换热产生影响。修正：55.0t1CwfTT被加

8、热被冷却气体：25.011.0tCwfwf被加热被冷却液体：长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式（2）对于短管（考虑入口效应）对于较短的管子及常见的尖角入口，推荐以下的修正系数：7.0)(1ldcl（3）非圆形截面通道4ceAdP式中：Ac 对为槽道的流动截面积，P为润湿周长。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例1：试计算下列两种情形的当量直径，其中打阴影线的部分表示流体流过的通道。（1）222121=3,344cAdd Pdd 22222121

9、21214(3)4344=33ceddAdddPdddd 长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering（2）2222313=442483/63/2cAldldPlddldd222234()42 348=30.56celdAlddPlddldd长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering（4）对于弯管的修正由于管道弯曲改变了流体的流动方向，离心力的作用会在流体内产生如图所示的二次环流，结果增加了扰动，使对流换热得到强化。6-3 内部强制对流的实验关联式气体：液体：RdciR77.113)(3.10

10、1RdciRR为弯曲管的曲率半径；长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式0.80.023RePrnfffl tRNuccc修正后的表达式：长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例2：对圆管内的强制对流换热，实验关联式表示成 的形式。试分析流体被加热时，以下情况下对流传热系数h如何变化：（1）圆管内流速增加一倍，其他条件不变；（2）管径缩小一半、流速等其它条件不变；（3）管径缩小一半、体积流量等其他条件不变。0.80.023RePrnfffNu 长江大学

11、机械工程学院School of Mechanical Engineering0.80.20.60.40.80.4(,)phf udc可以看出：（1）速度u与密度对h影响最大，均为0.8次方；（2）物性的影响，其中、cp的影响均为正，即、cp越大，对流传热系数越大。这也说明了为什么水的对流传热系数比空气大。而粘度的影响是负的。（3）h与直径的0.2次方成反比，因此，在条件允许时，尽量采用小直径管来强化换热。长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering3.其它的实验关联式6-3 内部强制对流的实验关联式(1)齐德-泰特（Sieder-Ta

12、te）关联式：0.81/30.027RePrffNu0.14fw（）评价：误差大；近似适用于液体被加热的情况。(2)格尼林斯基（Gnielinski)公式2/32/3(/8)(Re1000)Pr1()1 12.7/8(Pr1)fftffdNuclf21.82lgRe 1.64f评价：较准确；该式也适用于过渡区。长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式三、管槽内层流换热实验关联式1.层流充分发展换热的Nu数对于圆管：ffu=3.66u=4.36NN （tw=const）（qw=const）结果见表6-

13、2、6-3、6-4长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineeringa.齐德泰勒（Sieder-Tate）关联式14.03/1)Pr(Re86.1wffffldNu管子处于均匀壁温适用的参数范围：0.141/30.48Pr16700,0.00449.75Re Pr2ffwfffwdl2.层流入口段换热的Nu数6-3 内部强制对流的实验关联式长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式2/31/30.140.116(Re125)Pr1()()fefff

14、wdNul(2300Ref 104)四、管槽内过渡流换热实验关联式长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering6-3 内部强制对流的实验关联式五、一般解题思路1.计算定性温度，查物性参数；2.利用雷诺数判断流动状态；3.选用合适的实验关联式；4.计算努赛尔数，进一步得到对流传热系数；5.根据牛顿冷却公式计算出对流换热量。6.校核，是否需要修正/假设是否正确。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例3（P254）：水流过长l=5m、壁温均匀的直管时，从tf=25.4被加热到tf=34.6。管

15、子的内径d=20mm，水在管内的流速为2m/s，求表面传热系数 h。u=2m/s,tf=25.4tf=34.6d=20mm长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解:(1)定性温度：Ctttfffo3026.344.252 30水的物性参数：CmWof/618.062f0.805 10/vms42.5Pr f3f995.7/kg mkgkJcp/174.4(2)判断流动形态446101097.410805.002.02Revud紊流流动长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering流体加热，n=0.4nfffNu

16、PrRe023.08.0(3)计算准则，选定公式。5.25842.51097.4023.04.08.04fNuCmWdNuho/798702.0618.05.258（4）校核，是否需要修正52500.02ldCttowf302050（a）（b）是否在 范围内长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringmthACDLhthAttoffw68.39502.078952428530Cttofw2068.93068.39)(wftthA故满足要求。要求tw，先求Wttcduffp242853.256.3410174.4402.027.9954322长江大学机械工

17、程学院School of Mechanical Engineering例3：空气以2m/s的速度在内径为10mm的管内流动，入口处空气的温度为20，管壁温度为120，试确定将空气加热至60所需管子的长度？u=2m/s,tf=20d=10mmtf=60l=？tw=120长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering解：空气的定性温度为tf=(20+60)/2=40，查出空气的物性参数为f=19.110-6 Pas，=1.128kg/m3，Pr=0.699，cp=1.005KJ/(kg)，=2.7610-2W/(m2K)，当tw=120时，w=22.810-6

18、 Pas（1）判断流型，雷诺数：3m62 0.01 1.128Re1.18 10220019.1 10u d层流长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering14.03/1)Pr(Re86.1wffffldNu（2）选择公式ffhdNu3/112.10lh得由能量平衡有：)(4)(2ffpmfwttcduttdlh 3()4()2 0.01 1.128 1.005 10(60 20)2.834(120 40)mpffwfu d c tthlttl=0.148msA()m()wfpffhttc tt长江大学机械工程学院School of Mechanical

19、 Engineering0.48Pr0.69916700,0.00440.8389.75ffw（3）校核l=0.148m0.141/31/30.14Re Pr0.0119.111800.6993.730.14822.8fffwdl2所以公式选择正确。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering管内强制对流换热采用试算法的情形，及判断迭代过程达到收敛的依据：采用试算法的情形：（1）管长l未知。此时可先令cl=1，根据热平衡方程求出管长后再校正。（2）流体速度未知。可先假定流速，根据Re选择层流或湍流公式，最后根据热平衡方程对流速进行校正。（3）管内壁温未知

20、。可先假定ct=1，然后由热平衡方程确定壁温，最后进行修正。（4）管内径未知。处理方法与流速和管长未知情形相似。（5）流体出口温度未知。此时先假设流体出口温度，最后用热平衡方程求出出口温度，直到满足热平衡偏差为止。迭代过程收敛的条件为热平衡偏差值小于5%。长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering小 结一、管内强迫对流传热概述1.管内紊流(Re104)换热准则关系式nfffNuPrRe023.08.0流体被加热时n=0.4；流体被冷却时n=0.3。14.03/1)Pr(Re86.1wffffldNu2.管内层流换热准则关系式(Re 2300)14.03/13/2)(1 Pr)125(Re116.0wfefffldNu3.管内过渡流(2300 Ref 104)换热准则关系式0.141/3Re Pr2fffwdl长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 短管 l/d 50的短管修正系数 Cl0.71()ldCl 大温差气体55.0t1CwfTT被加热被冷却25.011.0tCwfwf被加热被冷却液体 螺旋管或弯管 气体RdciR77.113)(3.101RdciR 非圆形截面管道 4ceAdP液体小 结