第五章对流换热PPT讲稿.ppt

第五章对流换热第1页，共72页，编辑于2022年，星期三一、对流换热概述l 对流换热对流换热对流换热对流换热流流流流体体体体与与与与固固固固体体体体壁壁壁壁直直直直接接接接接接接接触触触触时时时时所所所所发生的热量传递过程发生的热量传递过程发生的热量传递过程发生的热量传递过程对流换热与热对流不同，既有热对流，也对流换热与热对流不同，既有热对流，也对流换热与热对流不同，既有热对流，也对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式有导热；不是基本传热方式有导热；不是基本传热方式有导热；不是基本传热方式yxtuqwtw壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于无滑移状无滑移状无滑移状无滑移状态态态态（此论点对于极为稀薄的流体不适用）。又由于流体分子相互之（此论点对于极为稀薄的流体不适用）。又由于流体分子相互之（此论点对于极为稀薄的流体不适用）。又由于流体分子相互之（此论点对于极为稀薄的流体不适用）。又由于流体分子相互之间间间间的穿插扩散和的穿插扩散和的穿插扩散和的穿插扩散和(或或或或)相互之间的吸引与牵制，即相互之间的吸引与牵制，即相互之间的吸引与牵制，即相互之间的吸引与牵制，即粘性力作用粘性力作用粘性力作用粘性力作用，使流，使流，使流，使流体速度在垂直于壁面的方向上发生改变。体速度在垂直于壁面的方向上发生改变。体速度在垂直于壁面的方向上发生改变。体速度在垂直于壁面的方向上发生改变。第2页，共72页，编辑于2022年，星期三yxtuqwtw同时，通过固体壁面的热流也会在流体同时，通过固体壁面的热流也会在流体同时，通过固体壁面的热流也会在流体同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散分子的作用下向流体扩散分子的作用下向流体扩散分子的作用下向流体扩散(热传导热传导热传导热传导)，并，并，并，并不断地被流体的流动而带到下游（不断地被流体的流动而带到下游（不断地被流体的流动而带到下游（不断地被流体的流动而带到下游（热热热热对流对流对流对流），因而也导致紧靠壁面处的流），因而也导致紧靠壁面处的流），因而也导致紧靠壁面处的流），因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流体温度逐步从壁面温度变化到来流体温度逐步从壁面温度变化到来流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。温度。温度。温度。(2)(2)(2)(2)流体与壁面直接接触和宏观运动；也必须有温差流体与壁面直接接触和宏观运动；也必须有温差流体与壁面直接接触和宏观运动；也必须有温差流体与壁面直接接触和宏观运动；也必须有温差(1)(1)(1)(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 对流换热的特点对流换热的特点对流换热的特点对流换热的特点(3)(3)(3)(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 对流换热计算式对流换热计算式对流换热计算式对流换热计算式牛顿冷却公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式对流换热系数对流换热系数第3页，共72页，编辑于2022年，星期三u 对流换热系数（表面传热系数）对流换热系数（表面传热系数）定定定定义义义义：当当当当流流流流体体体体与与与与壁壁壁壁面面面面温温温温度度度度相相相相差差差差1111时时时时、每每每每单单单单位位位位壁壁壁壁面面面面面面面面积积积积上上上上、单位时间内所传递的热量单位时间内所传递的热量单位时间内所传递的热量单位时间内所传递的热量物理意义：物理意义：物理意义：物理意义：对流换热系数对流换热系数对流换热系数对流换热系数 表征着表征着表征着表征着对流换热的强弱对流换热的强弱对流换热的强弱对流换热的强弱u 对流换热的任务对流换热的任务 揭示揭示揭示揭示 与其影响因素的内在关系与其影响因素的内在关系与其影响因素的内在关系与其影响因素的内在关系 增强换热的措施增强换热的措施增强换热的措施增强换热的措施u u 研究对流换热的方法研究对流换热的方法研究对流换热的方法研究对流换热的方法 分析法分析法分析法分析法 实验法实验法实验法实验法 比拟法比拟法比拟法比拟法 数值法数值法数值法数值法第4页，共72页，编辑于2022年，星期三一、速度边界层（Velocity boundary layer）l l 5-1 边界层的概念边界层的概念（Boundary layerBoundary layer）当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层流动边界层流动边界层流动边界层（或称（或称（或称（或称速度边界层速度边界层速度边界层速度边界层）；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度）；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度）；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度）；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的梯度很大的梯度很大的梯度很大的温度边界层温度边界层温度边界层温度边界层（或称（或称（或称（或称热边界层热边界层热边界层热边界层）19041904年，德国科学家普朗特年，德国科学家普朗特年，德国科学家普朗特年，德国科学家普朗特 L.Prandtl L.Prandtl 由于粘性作用，流由于粘性作用，流由于粘性作用，流由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随体流速在靠近壁面处随体流速在靠近壁面处随体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的减小而离壁面的距离的减小而离壁面的距离的减小而离壁面的距离的减小而逐渐降低；在贴壁处被逐渐降低；在贴壁处被逐渐降低；在贴壁处被逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态滞止，处于无滑移状态滞止，处于无滑移状态滞止，处于无滑移状态第5页，共72页，编辑于2022年，星期三从从从从 y y=0=0、u u=0=0 开始，开始，开始，开始，u u 随着随着随着随着 y y 方向离壁方向离壁方向离壁方向离壁面距离的增加而迅速增大；经过厚度为面距离的增加而迅速增大；经过厚度为面距离的增加而迅速增大；经过厚度为面距离的增加而迅速增大；经过厚度为 的薄层，的薄层，的薄层，的薄层，u u 接近主流速度接近主流速度接近主流速度接近主流速度 u u y y=薄层薄层薄层薄层 流动边界层流动边界层流动边界层流动边界层 或或或或 速度边界层速度边界层速度边界层速度边界层 边界层厚度边界层厚度边界层厚度边界层厚度定义：定义：定义：定义：u/uu/u =0.99=0.99 处离壁的距离为处离壁的距离为处离壁的距离为处离壁的距离为速度边界层厚度速度边界层厚度速度边界层厚度速度边界层厚度 小：空气外掠平板小：空气外掠平板小：空气外掠平板小：空气外掠平板u u =10m/s=10m/s边界层内：边界层内：边界层内：边界层内：平均速度梯度很大；平均速度梯度很大；平均速度梯度很大；平均速度梯度很大；y y=0=0处的速度梯度最大处的速度梯度最大处的速度梯度最大处的速度梯度最大层流边界层厚度层流边界层厚度第6页，共72页，编辑于2022年，星期三由牛顿粘性定律：由牛顿粘性定律：由牛顿粘性定律：由牛顿粘性定律：边界层外：边界层外：边界层外：边界层外：u u 在在在在 y y 方向不变化，方向不变化，方向不变化，方向不变化，u/u/y=0y=0流场可以划分为两个区：流场可以划分为两个区：流场可以划分为两个区：流场可以划分为两个区：边界层区边界层区边界层区边界层区与与与与主流区主流区主流区主流区边界层区边界层区边界层区边界层区：流体的粘性作用起主导作用：流体的粘性作用起主导作用：流体的粘性作用起主导作用：流体的粘性作用起主导作用主流区主流区主流区主流区：速度梯度为：速度梯度为：速度梯度为：速度梯度为0 0，=0=0；可视为无粘性理想流体；可视为无粘性理想流体；可视为无粘性理想流体；可视为无粘性理想流体速度梯度大，粘滞力大速度梯度大，粘滞力大速度梯度大，粘滞力大速度梯度大，粘滞力大粘滞应力为零粘滞应力为零粘滞应力为零粘滞应力为零 主流区主流区主流区主流区边界层概念的基本思想边界层概念的基本思想边界层概念的基本思想边界层概念的基本思想第7页，共72页，编辑于2022年，星期三 流体外掠平板时的流动边界层流体外掠平板时的流动边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流湍流过渡流过渡流层流层流第8页，共72页，编辑于2022年，星期三临界距离临界距离临界距离临界距离：由层流边界层开始：由层流边界层开始：由层流边界层开始：由层流边界层开始向湍流边界层过渡的距离，向湍流边界层过渡的距离，向湍流边界层过渡的距离，向湍流边界层过渡的距离，x xc c平板：平板：平板：平板：湍流边界层：湍流边界层：湍流边界层：湍流边界层：临界雷诺数临界雷诺数临界雷诺数临界雷诺数：ReRec c粘性底层粘性底层粘性底层粘性底层（层流底层层流底层层流底层层流底层）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度紊流核心；缓冲区；粘性底层紊流核心；缓冲区；粘性底层紊流核心；缓冲区；粘性底层紊流核心；缓冲区；粘性底层ReRec 紊流紊流 ReRec 层流层流第9页，共72页，编辑于2022年，星期三流动边界层的几个重要特性流动边界层的几个重要特性流动边界层的几个重要特性流动边界层的几个重要特性(1)边界层厚度边界层厚度 与壁的定型尺寸与壁的定型尺寸L L相比极小，相比极小，相比极小，相比极小，Lx cL第56页，共72页，编辑于2022年，星期三第57页，共72页，编辑于2022年，星期三二、横掠单管和管束的换热二、横掠单管和管束的换热l横掠是指流体与管轴成横掠是指流体与管轴成9090地从管外流过地从管外流过l工业计算中最重要的是要求得整个管子表面工业计算中最重要的是要求得整个管子表面的的平均换热系数平均换热系数第58页，共72页，编辑于2022年，星期三第59页，共72页，编辑于2022年，星期三l流体外掠单圆管换热时的准则方程式为流体外掠单圆管换热时的准则方程式为 umRemnrm1/3 （611）l定型尺寸定型尺寸取圆管外直径取圆管外直径D D，定性温度定性温度tm(tf+tw)/2,em数中的数中的特征速度特征速度为主流速度为主流速度vf。系数。系数C C和指数和指数n n随随Rem而变，见表而变，见表6-26-2l上式适用范围：冲击角上式适用范围：冲击角l若若，流体流过圆管时，使旋涡区，流体流过圆管时，使旋涡区缩小，且正对来流的冲击减弱，会缩小，且正对来流的冲击减弱，会促使平均促使平均换热系数换热系数降低降低。故需乘。故需乘斜冲校正系数斜冲校正系数，见图，见图6-5。1.1.流体外掠单圆管流体外掠单圆管第60页，共72页，编辑于2022年，星期三2.2.横掠管束的换热横掠管束的换热l外掠管束在换热器中最为常见。外掠管束在换热器中最为常见。l通常管子有通常管子有叉排叉排和和顺排顺排两种排列方式。两种排列方式。l叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除影响管束换热的因素除 数外，还有：数外，还有：叉叉排或顺排排或顺排；管间距管间距；管束排数管束排数等。等。第61页，共72页，编辑于2022年，星期三第62页，共72页，编辑于2022年，星期三l横掠管束的对流换热准方程式横掠管束的对流换热准方程式 u um mReRem mn nr rm m1/31/3 (6-12)(6-12)l定性温度定性温度tm=(tf+tw)/2；定型尺寸定型尺寸取管子外径取管子外径D，系数，系数C和指数和指数n见表见表6-3。特征流速取管间特征流速取管间最大流速最大流速V Vmaxmax。l用于用于1010排以上的管束。如管排少于排以上的管束。如管排少于1010，求得，求得的换热系数须乘以的换热系数须乘以管排校正系数管排校正系数N,见见表表6-46-4。l束流的冲击角束流的冲击角9090时，则由上述求得的时，则由上述求得的换热系数还需乘以换热系数还需乘以斜冲校正系数斜冲校正系数，见表，见表6-6-5 5。第63页，共72页，编辑于2022年，星期三特征速度的计算特征速度的计算l特征速度：管间最小截面处特征速度：管间最小截面处 的最大流速的最大流速第64页，共72页，编辑于2022年，星期三第65页，共72页，编辑于2022年，星期三第66页，共72页，编辑于2022年，星期三l分类：分类：无限空间（大空间）无限空间（大空间）有限空间（小空间）有限空间（小空间）l自然对流的层流与紊流自然对流的层流与紊流 层流与紊流依据：层流与紊流依据：Gr；瑞利数瑞利数RaGrPr6.3 6.3 自然对流换热的准则关系式自然对流换热的准则关系式第67页，共72页，编辑于2022年，星期三一、大空间自然对流换热一、大空间自然对流换热l大空间：换热面附近的流体的流动没有受到紧大空间：换热面附近的流体的流动没有受到紧挨着的其他换热表面的干扰。挨着的其他换热表面的干扰。l麦阿当姆推荐用下列准则方程式来计算平均放麦阿当姆推荐用下列准则方程式来计算平均放热系数热系数 umC(rPr)mn （6-13)6-13)l定定性性温温度度采采用用流流体体与与壁壁面面的的平平均均温温度度tm(tftw)/2，定定型型尺尺寸寸以以及及系系数数C C和和指指数数n n的的取取得得，可可根根据据换换热热表表面面的的形形状状，位位置置及及(GrPr)m的的数值范围由表数值范围由表6-6查取。查取。第68页，共72页，编辑于2022年，星期三二、小空间自然对流换热二、小空间自然对流换热l小空间自然对流换热指的是流体处在较小的小空间自然对流换热指的是流体处在较小的空间内进行的自然对流换热。空间内进行的自然对流换热。l通常是将这样一个复杂的换热过程通常是将这样一个复杂的换热过程当作相当当作相当的导热过程的导热过程l当量导热系数的计算当量导热系数的计算l换热量换热量第69页，共72页，编辑于2022年，星期三第70页，共72页，编辑于2022年，星期三作作 业业90页：页：6-1、6-4、6-6、6-96-9注意水平部分和垂直部分瑞利数计算注意水平部分和垂直部分瑞利数计算的不同的不同。第71页，共72页，编辑于2022年，星期三浮升力的计算浮升力的计算单位质量流体在温差单位质量流体在温差t=tw-tf时的浮升力为时的浮升力为:f（wf）g f(1t）fg fgt第72页，共72页，编辑于2022年，星期三