第六章单相对流传热的实验关联式课件.ppt
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1、第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1312023-5-131第六章 单相对流传热实验关联式教学目的:进一步了解对流传热的因素,根据流动情况选择合适的实验关联式教学要求:1.相似原理下用实验方法获得表面传热系数的实验关联式;2.准则数(特征数)方程及其使用。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1322023-5-132教学内容:1.相似原理与量纲分析,内部强制对流实验关联式;2.外部强制对流(横掠单管、球机管束)实验关联式,射流冲击,自然对流。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-133第11讲 相似原理、内部强制对流传热实验关联式教学过程:5分钟左右上节复习、提问
2、;本节内容(讲解、提问);作业6-1,6-8教学目的及要求 掌握相关传热实验关联式及使用条件;了解相似原理及其在实验中的指导作用。6.1 相似原理与量纲分析 产生的背景:工业发展需求h,但是变量太多,如下式,10-5,需进行106次实验。),(lupcfh对流换热的研究方法:分析法;比拟法;基于相似理论的实验方法;数值计算方法。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-134 相似:对于两个同类的物理现象,如果在相应的时刻及相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例,则称此两现象彼此相似。物理量相似的性质:用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象称为同类现象,只有同类现象才能谈相
3、似问题;(注意“相似”与“类比”或“比拟”概念的区别)对于同类的物理现象,在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量对应成比例,称为物理量相似;相似的物理现象,同名无量纲准则数必定相等。P230 图6-1Q:实验中应测哪些量,是否所有的物理量都测?A:实验中只需要测量无量纲准则数所包含的物理量.1、物理现象相似的定义第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-135 同名的已定准则数相等;(已定准则数已知的物理量构成的准则数)单值条件相似。(初始条件、边界条件、几何条件、物理条件)2、两个同类物理现象相似的充要条件3、导出相似特征数的方法某一物理现象涉及哪些无量纲准则数?它们之间的函数关系
4、(准则数方程式)如何?相似分析法量纲分析法相似分析法:通过将微分方程各物理量进行无量纲化来获得无量纲相似准则数的方法.P233-235RePrPe 称为贝克莱数,记为Pe,它反映了给定流场的热对流能力与其热传导能力的对比关系。它在能量微分方程中的作用相当于雷诺数在动量微分方程中的作用。23tlVgGr第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-136量纲分析法:通过物理量量纲(单位)的匹配关系来获得无量纲相似准则数的方法 基本依据:定理 一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式,一定可以转换为包含 n-r 个独立的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。流体力学的基本量纲:时间T s
5、,长度L m,质量M kg 传热学的基本量纲:时间T s,长度L m,质量M kg,温度 K优点:方法简单;在不知道微分方程的情况下,仍然可以获得无量纲量.实质:量纲和谐原理:凡是反映客观物理过程间物理量相互关系的方程式,必然是量纲和谐的,即方程式各项的量纲(单位)是一致的。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-137基本步骤:1.明确影响传热过程的全部 n 个物理量;2.选择其中 r 个物理量作为基本物理量,对于传热学问题,一般 r4;3.对于r 个基本物理量之外的 nr 个物理量,每次取一个,与 r 个基本物理量一起组成一个幂指数形式的 方程,共有nr 个方程;4.对每个 方程应用
6、量纲和谐原理确定 r 个待定指数;5.根据确定的r 个幂指数得到 nr 个无量纲准则数,并确定准则数方程。实例:圆管内单相强制对流换热问题),(pcdufhNuf(Re,Pr)第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-138传热学实验研究中如何安排实验工况?以相似准则数作为安排实验的依据。以强制对流实验测量为例:Nuf(Re,Pr),则以Re 和 Pr 为自变量确定不同的实验工况。优点在于可以大幅度减少实验次数。传热学实验研究中如何整理实验数据?采用准则方程的幂指数形式来整理。对于对流换热问题:nmCfNuPrRePr)(Re,式中:常数 C,m,n,l 由实验数据确定。数据点少时采用图示
7、法确定(p238-239,图6-3、6-4);数据点较多时采用最小二乘法。6.2 相似原理的应用 1、指导实验的安排及试验数据的整理2、指导模化试验 用不同于实物几何形状尺度的模型来研究实际装置中进行的物理过程的试验。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-139传热学问题的常见准则数及其物理意义(教材表6-1)p2413、相似准则数(特征数)及方程应用注意点 4、对实验关联式准确性的正确认识 25%,20%一般工程可以接受。不能严格满足相似条件时,只要关键条件满足相似原理即可;实验研究总有一定的范围(Re,Pr,几何参数),依据实验结果整理得到的准则方程需明确适用范围;特征长度、特征流
8、速和定性温度的选取方式应与得出准则方程时的实验范围相同。单相对流传热的实验结果可以整理成以下三种形式:Pr)(Re,fNu Pr)(Re,fSt Pr)(Re,fj 第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1310对流换热问题中出现的努塞尔数与非稳态导热分析中的毕欧数形式上是相似的。但是,Nu中的Lf为流场的特征尺寸,f为流体的导热系数;流体侧流体侧固体侧固体侧LsLffsNuBi而Bi中的Ls为固体系统的特征尺寸,s为固体的导热系数。它们虽然都表示边界上的无量纲温度梯度,但一个在流体侧一个在固体侧。一个容易混淆的问题:第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1311nmCfNuP
9、rRePr)(Re,:基于相似原理的管内湍流强制对流换热实验实例。管子采用电加热。需要测量哪些物理量?如何处理实验数据?实验系统如何布置?audhdNuPrRe)2()(,outfinfwfwheattttdlIUttdlh42dQuv实验需要测量的物理量:加热器的电流、电压,由此计算加热量(管子外表面需要绝热处理);管内壁面温度,进出口水流温度(由此确定定性温度,并查取水的物性);管内水的体积流量;管子的内径和长度。上述物理量按照Nu,Re,Pr 进行整理,并确定工况。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1312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
10、内部强制对流与外部强制对流:内部流动:边界层的发展受到限制,h不同。6.3 内部强制对流传热的实验关联式 外部流动外区域速度、温度梯度可以忽略边界层自由发展1、管槽内强制对流流动与换热特点 两种流态 旺盛湍流层流10000Re2300过渡区第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1313 入口段与充分发展段 充分发展段:当流动边界层及热边界层汇合于管子中心线后称流动或换热已充分发展。入口段:从进口到充分发展段之间区域称为入口段。入口段热边界层厚度薄,局部表面传热系数大,充分发展段换热系数不变。入口段长度 l:l/d 0.05RePr (层流)l/d 60 (湍流)层流 Rex0.6的流体
11、)2ftftftmt第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1317 推广使用时的修正:a.温差大于适用范围时:流体的粘度受温度影响,截面速度分布与等温情况有差异,从而影响换热,需要引入修正系数ct,此时n=0.4气体 ct液体 ct5.0)/(wfTT11.0)/(wf25.0)/(wf1被加热被冷却被加热被冷却液体被加热或气体被冷却液体被加热或气体被冷却液体被冷却或气体被加热液体被冷却或气体被加热恒定温度的情况恒定温度的情况管内流动温度对速度分布的影响示意图管内流动温度对速度分布的影响示意图tcfffNu4.0Pr8.0Re023.0注意:此处的修正是由于物性随t的变化而引起的传热量
12、的变化,与普朗特数中n的取值不同。流体平均温度计算的动力粘度第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1318 lcnfffNuPr8.0Re023.0b.l/d 100式中:定性温度以及特征长度的取法与上式相同。第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1321 齐德泰特公式式中:定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值;特征流速为管内平均流速;特征长度为管内径;适用范围:入口段;层流 Re 恒壁温的 Nu);层流充分发 展时的换热与Re数无关。12管内层流入口段3、管槽内层流强制对流传热关联式第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1322 管槽内部强制对流换热的强化:机理
13、:减薄或破坏热边界层。措施:增加流速、增加内壁粗糙度;内肋管、内螺纹管;弯管、扭曲管等。注意:强化传热的措施往往引起流动阻力的增加,需要综合考虑。nfffNuPrRe023.08.0),(4.08.04.06.02.08.0pcdufh第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1323本节思路第六章 单相对流传热的实验关联式2023-5-1324第12讲 外部强制对流传热实验关联式教学过程:5分钟左右上节复习、提问;本节内容(讲解、提问);作业6-33教学目的及要求 掌握流体横掠单管、球体及管束的实验关联式及使用条件;了解自然对流、射流冲击传热的实验关联式。6.4 外部强制对流外部流动:换
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