第6章单相对流传热的实验关联式.ppt
试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题:(1)变量太多变量太多6.1相似原理相似原理及量纲分析1 1 问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出A 实验中应测哪些量实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）（是否所有的物理量都测）B 实验数据如何整理实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）（整理成什么样函数关系）(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？相似原理将回答上述两个问题相似原理将回答上述两个问题1.1.物理现象相似：物理现象相似：物理现象相似：物理现象相似：对于对于同类同类的物理现象的物理现象，在相应的时刻与相，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例物理量一一对应成比例。2.2.同类物理现象：同类物理现象：同类物理现象：同类物理现象：用用相同形式相同形式并具有并具有相同内容相同内容的微分方程式的微分方程式所描写的现象。所描写的现象。特征数方程：无量特征数方程：无量纲量之间的函数关纲量之间的函数关系系2相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：1.1.研究研究研究研究相似物理现象相似物理现象之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系1.3 3 物理现象相似的特性物理现象相似的特性物理现象相似的特性物理现象相似的特性同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：对流换热特征数：对流换热特征数：对流换热特征数：同名的已定特征数相等同名的已定特征数相等单值性条件相似：单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件初始条件、边界条件、几何条件、物理条件实验中只需测量各特征数所包含的物理量实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲避免了测量的盲目性目性解决了实验中测量哪些物理量的问题解决了实验中测量哪些物理量的问题按按特征数特征数特征数特征数之间的函数关系之间的函数关系之间的函数关系之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题解决了实验中实验数据如何整理的问题因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？它们因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？它们之间的函数关系如何？之间的函数关系如何？可以在相似原理的指导下采用模化试验可以在相似原理的指导下采用模化试验 解决了实物解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题4 4 物理现象相似的条件物理现象相似的条件物理现象相似的条件物理现象相似的条件6.2相似原理的应用相似原理的应用相似理论只是指出了一个复杂物理过程的众多物相似理论只是指出了一个复杂物理过程的众多物理量之间的函数关系可以用一个准则函数式来表理量之间的函数关系可以用一个准则函数式来表示，而具体的函数形式则需要通过实验才能确定。示，而具体的函数形式则需要通过实验才能确定。大多数情况下，大多数情况下，对流换热的对流换热的这些函数关系习惯于这些函数关系习惯于表示成幂函数形式，如表示成幂函数形式，如 Nu=CRenPrm Nu=C(GrPr)n其中常数其中常数C C、m m、n n由实验确定。由实验确定。定型尺寸定型尺寸相似准则中表示几何特征的尺寸，如相似准则中表示几何特征的尺寸，如ReRe、GrGr、NuNu中的中的l l和和d d。一般是一般是 (1)(1)流体沿平壁流动取流动方向平壁的长度。沿流体沿平壁流动取流动方向平壁的长度。沿竖壁作自然流动时取竖壁高度竖壁作自然流动时取竖壁高度。(2)(2)流体绕流圆管或圆柱时，取圆管或圆柱的外流体绕流圆管或圆柱时，取圆管或圆柱的外径径。(3)(3)壁流体在管内流动取圆管内径。对于非圆形壁流体在管内流动取圆管内径。对于非圆形截面的管道则取当量直径，即截面的管道则取当量直径，即 de=4F/Ude=4F/U式中式中F F为管道的流通截面积；为管道的流通截面积；U U为被流体润湿的周长为被流体润湿的周长定性温度和定型尺寸（特征尺寸）定性温度和定型尺寸（特征尺寸）(1)(1)流体平均温度流体平均温度T Tf f。对于管内流动，常对于管内流动，常取取T Tf f=(T=(Tf1f1+T+Tf2f2)/2)/2，T Tf1f1和和T Tf2f2分别表示进出口分别表示进出口截面上流体的平均温度。截面上流体的平均温度。(2)(2)边界层流体的平均温度边界层流体的平均温度T Tm m。如果用如果用T Tw w和和T Tf f分分别表示壁面和流体温度则别表示壁面和流体温度则T Tm m=(T=(Tw w+T+Tf f)/2)/2。(3)(3)壁面平均温度壁面平均温度TwTw。定性温度定性温度6.56.5 自然对流换热自然对流换热无限空间中的自然对流换热无限空间中的自然对流换热 无限空间是指流体处于很大空间。这时无限空间是指流体处于很大空间。这时换热面附近的流体自由运动不会受到其它换热面附近的流体自由运动不会受到其它表面的干扰。表面的干扰。例子：工程上各种炉子、热设备、铸型、例子：工程上各种炉子、热设备、铸型、输送热流体的管道等在空气中的放热过程。输送热流体的管道等在空气中的放热过程。第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热无限空间中自然对流换热准则方程无限空间中自然对流换热准则方程 在自然对流换热中，在自然对流换热中，Gr准则起重要作用，而准则起重要作用，而Re可不考虑，因此在无限空间中自然对流换热可不考虑，因此在无限空间中自然对流换热准则关系为准则关系为 Nu=f(Gr,Pr)大量实验表明，无限空间中自然对流换热准大量实验表明，无限空间中自然对流换热准则方程式为则方程式为第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热 无限空间中自然对流换热的定性温度为流体无限空间中自然对流换热的定性温度为流体与壁面的平均温度与壁面的平均温度T Tm m=(T=(Tw w+T+Tf f)/2)/2。无限空间中自然对流换热准则方程式中的系无限空间中自然对流换热准则方程式中的系数数C和指数和指数n可根据放热表面的形状、位置及可根据放热表面的形状、位置及(GrPr)数值范围由表数值范围由表6-10选取。选取。以空气自然冷却物体时，空气温度在以空气自然冷却物体时，空气温度在1040，物体表面温度在，物体表面温度在50100，则可用表，则可用表6-11的空气自然对流换热系数的简化计算式进行换的空气自然对流换热系数的简化计算式进行换热系数热系数h的计算。的计算。第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热例10-2 平板在不同位置冷却的热流量 垂直放置垂直放置 热面朝上热面朝上 热面朝下热面朝下第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热 一块一块0.6m0.6m的薄板放在温度为的薄板放在温度为30的室内。板的一面保持在的室内。板的一面保持在74，另一面绝，另一面绝热，如图所示。计算下述条件下此平板自热，如图所示。计算下述条件下此平板自然对流换热的热流量：然对流换热的热流量：（1）平板垂直放置；）平板垂直放置；（2）平板热面朝上水平放置；）平板热面朝上水平放置；（3）平板热面朝下水平放置。）平板热面朝下水平放置。第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热解：假设假设 1.换热为稳定态；换热为稳定态；2.空气为理想气体；空气为理想气体；3.大气压力为大气压力为1atm 定性温度为定性温度为 Tm=(Ts+T)/2=(74+30)/2=52=325K 空气的热物性参数为空气的热物性参数为 =0.0279W/m,=1.81510-5m2/s，Pr=0.709,=1/Tm=1/325K=0.00308K-1第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热（1）平板垂直放置）平板垂直放置 此时定型长度为平板的高度，即此时定型长度为平板的高度，即L=0.6m，第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热由表由表10-2可得此时的可得此时的Nu数为数为因此得因此得所以垂直放置的热流量为所以垂直放置的热流量为第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热（2）平板热面朝上水平放置）平板热面朝上水平放置 此时的定型长度为此时的定型长度为 第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热由表由表10-2可得此时的可得此时的Nu数为数为因此得因此得所以垂直放置的热流量为所以垂直放置的热流量为第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热（3）平板热面朝下水平放置）平板热面朝下水平放置 此时定型长度、换热面积和此时定型长度、换热面积和Gr数都与（数都与（2）相同，但相同，但Nu数由表数由表10-2应为应为 可以看出，在平板自然对流换热时，热面朝下的换热强度最可以看出，在平板自然对流换热时，热面朝下的换热强度最小。这是因为此时空气的流动受到了阻碍。小。这是因为此时空气的流动受到了阻碍。第第5 5节节 自然对流换热自然对流换热讨论讨论：在本例中平板除通过自然对流换热外，还通过：在本例中平板除通过自然对流换热外，还通过辐射向周围环境散热。假设平板表面为黑体（黑度系辐射向周围环境散热。假设平板表面为黑体（黑度系数数=1）并且室内墙壁的温度与室温相同（并且室内墙壁的温度与室温相同（30），则），则通过辐射换热的热流量为：通过辐射换热的热流量为：这比上面任何一种自然对流换热的换热强度都大。这比上面任何一种自然对流换热的换热强度都大。因此在实际计算物体表面通过自然对流换热时，通过因此在实际计算物体表面通过自然对流换热时，通过辐射散发的热量也是很显著的，必须予以考虑。辐射散发的热量也是很显著的，必须予以考虑。本章小结本章小结重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：1）对流换热的分类、特点及影响因素；对流换热的分类、特点及影响因素；2）运用牛顿冷却公式计算对流换热问题；）运用牛顿冷却公式计算对流换热问题；3）边界层的概念，特点及其对求解对流换热问题的指导意义；）边界层的概念，特点及其对求解对流换热问题的指导意义；4）对流换热边界层微分方程的解的函数形式）对流换热边界层微分方程的解的函数形式-特征数关特征数关联式。特征数联式。特征数Nu，Pr，Re的物理意义；的物理意义；复习题复习题P185-186：1.2.6 例题：例题：4-3
