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第三章对流换热第1页，共69页，编辑于2022年，星期二5-0 对流换热概述对流换热概述定义定义 流体与固体壁直接接触时流体与固体壁直接接触时流体与固体壁直接接触时流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。所发生的热量传递过程。所发生的热量传递过程。所发生的热量传递过程。yxtuqwtw 对流换热与热对流不同，对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。基本传热方式。特点：特点：(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；(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。第2页，共69页，编辑于2022年，星期二 从从从从公公公公式式式式可可可可知知知知，要要要要计计计计算算算算热热热热流流流流量量量量，温温温温度度度度及及及及面面面面积积积积比比比比较较较较容容容容易易易易得得得得到到到到，主主主主要要要要是是是是如如如如何求得何求得何求得何求得对流换热系数对流换热系数对流换热系数对流换热系数，这是研究对流换热的，这是研究对流换热的，这是研究对流换热的，这是研究对流换热的主要任务之一主要任务之一主要任务之一主要任务之一。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对流换热的任务对流换热的任务n n 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；n 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。n 确定确定；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 数值法数值法数值法数值法研究对流换热的方法研究对流换热的方法第3页，共69页，编辑于2022年，星期二 分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。例：对于例：对于例：对于例：对于不可压缩不可压缩不可压缩不可压缩、常物性常物性常物性常物性、无内热源无内热源无内热源无内热源的的的的二维二维二维二维问题，描述对流换热的微问题，描述对流换热的微问题，描述对流换热的微问题，描述对流换热的微分方程组为：分方程组为：分方程组为：分方程组为：质量守恒方程：质量守恒方程：运动方程：运动方程：能量守恒方程：能量守恒方程：由于由于由于由于数学上数学上数学上数学上的困难，现在仅能得到个别简单的对流换热问题的分析解。的困难，现在仅能得到个别简单的对流换热问题的分析解。的困难，现在仅能得到个别简单的对流换热问题的分析解。的困难，现在仅能得到个别简单的对流换热问题的分析解。第4页，共69页，编辑于2022年，星期二 实验法实验法实验法实验法 通过实验获得对流换热系数的计算式，这是目前工程设计的主要依据，通过实验获得对流换热系数的计算式，这是目前工程设计的主要依据，也是初学者必须掌握的内容。为了减小实验次数、提高实验结果的通用性，也是初学者必须掌握的内容。为了减小实验次数、提高实验结果的通用性，传热学的实验测定应当在量纲分析和相似原理的指导下进行。传热学的实验测定应当在量纲分析和相似原理的指导下进行。比拟法比拟法比拟法比拟法 通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起对流换热系通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起对流换热系数与阻力系数间的相互关系的方法，近年来这一方法已较少应用。数与阻力系数间的相互关系的方法，近年来这一方法已较少应用。数值法数值法数值法数值法 有限差分、有限元等。有限差分、有限元等。我们主要学习实验法我们主要学习实验法第5页，共69页，编辑于2022年，星期二5-1 速度边界层和热边界层（速度边界层和热边界层（Boundary layer）一、速度边界层一、速度边界层 流体流过固体壁面时，由于壁流体流过固体壁面时，由于壁面层流体分子的不滑移特性，在流面层流体分子的不滑移特性，在流体粘性力的作用下，近壁流体流速体粘性力的作用下，近壁流体流速在垂直于壁面的方向上会从壁面处在垂直于壁面的方向上会从壁面处的零速度逐步变化到来流速度。的零速度逐步变化到来流速度。tw t u t t 0 x 垂直于壁面的方向上流体流速发生显垂直于壁面的方向上流体流速发生显著变化的流体薄层定义为速度边界层。著变化的流体薄层定义为速度边界层。：流动边界层厚度流动边界层厚度流动边界层厚度流动边界层厚度定义定义 如，空气外掠平板如，空气外掠平板u=10m/s：第6页，共69页，编辑于2022年，星期二紊流核心紊流核心紊流核心紊流核心速度边界层的形成及发展过程速度边界层的形成及发展过程速度边界层的形成及发展过程速度边界层的形成及发展过程 边边边边界界界界层层层层从从从从层层层层流流流流开开开开始始始始向向向向紊紊紊紊流流流流过过过过渡渡渡渡的的的的距距距距离离离离。其其其其大大大大小小小小取取取取决决决决于于于于流流流流体体体体的的的的物物物物性性性性、固固固固体体体体壁壁壁壁面面面面的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度等等等等几几几几何何何何因因因因素素素素以以以以及及及及来来来来流流流流的的的的稳稳稳稳定定定定度度度度，由由由由实实实实验验验验确确确确定的定的定的定的临界雷诺数临界雷诺数临界雷诺数临界雷诺数R Rc c给定。给定。给定。给定。临界距离临界距离临界距离临界距离x xc c：一般情况下一般情况下一般情况下一般情况下，取，取，取，取 第7页，共69页，编辑于2022年，星期二流场划分流场划分流场划分流场划分:主流区：主流区：y边界层区边界层区:理想流体理想流体理想流体理想流体速速速速度度度度梯梯梯梯度度度度存存存存在在在在、粘粘粘粘性力作用区。性力作用区。性力作用区。性力作用区。边界层的流态：边界层的流态：层层流流边边界界层层、过渡区、过渡区、紊流边界层紊流边界层紊流边界层紊流边界层 紊紊流流核核心心缓缓 冲冲 层层 层流底层层流底层 紊流核心紊流核心紊流核心紊流核心流动的分区流动的分区流动的分区流动的分区第8页，共69页，编辑于2022年，星期二关于速度边界层的几个要点关于速度边界层的几个要点关于速度边界层的几个要点关于速度边界层的几个要点 (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相比极小，相比极小，L(2)边界层内存在较大的速度梯度边界层内存在较大的速度梯度 (3)边界层流态分边界层流态分层流层流与与紊流紊流；紊流边界层紧靠壁面处；紊流边界层紧靠壁面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）仍有层流特征，粘性底层（层流底层）(4)流场可以划分为流场可以划分为边界层区边界层区与与主流区主流区，主流区的流，主流区的流体当作理想流体处理体当作理想流体处理第9页，共69页，编辑于2022年，星期二tw t u t t 0 x二、热边界层二、热边界层定义定义定义定义 当流体流过平板而平板的温当流体流过平板而平板的温度度tw与来流流体的温度与来流流体的温度t不相等时，不相等时，在在壁面上方也能形成温度发生显著壁面上方也能形成温度发生显著变化的薄层，常称为热边界层变化的薄层，常称为热边界层。当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的的温差的0.99倍时倍时即即 ，此位置就是边，此位置就是边界层的外边缘，而界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是该点到壁面之间的距离则是热边界层的热边界层的厚度厚度,记为记为 第10页，共69页，编辑于2022年，星期二（1）与与 t 不一定相等不一定相等（2）流流动动边边界界层层与与热热边边界界层层的的状状况况决决定定了了热热量量传传递递过过程程和和边边界界层内的温度分布。层内的温度分布。说明：说明：说明：说明：tw t u t t 0 x普朗特数：普朗特数：（4）对流换热由）对流换热由层流区层流区的的导热导热与与紊流核心区紊流核心区的的热对流热对流组成。组成。（3 3 3 3）热边界层热边界层热边界层热边界层内存在较大的内存在较大的内存在较大的内存在较大的温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度，是发生热量扩散的主要区域，是发生热量扩散的主要区域，是发生热量扩散的主要区域，是发生热量扩散的主要区域，热边界层之外温度梯度可以忽略热边界层之外温度梯度可以忽略热边界层之外温度梯度可以忽略热边界层之外温度梯度可以忽略第11页，共69页，编辑于2022年，星期二三、换热微分方程式三、换热微分方程式紧贴壁面速度为零的薄层流体内、壁面紧贴壁面速度为零的薄层流体内、壁面X X处的导处的导热量：热量：通过这个薄层流体的对流换热量：所以：对流换热过程微分方程式第12页，共69页，编辑于2022年，星期二5-2 对流换热的影响因素对流换热的影响因素 对对对对流流流流换换换换热热热热是是是是流流流流体体体体的的的的导导导导热热热热和和和和对对对对流流流流两两两两种种种种基基基基本本本本传传传传热热热热方方方方式式式式共共共共同同同同作作作作用用用用的的的的结结结结果果果果，因因因因此此此此，凡凡凡凡是是是是影影影影响响响响流流流流体体体体导导导导热热热热和和和和对对对对流流流流的的的的因因因因素素素素都都都都将将将将对对对对对对对对流流流流换换换换热热热热产产产产生生生生影影影影响响响响。主要有五个方面：主要有五个方面：主要有五个方面：主要有五个方面：一、对流换热的影响因素一、对流换热的影响因素 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动（Free convection）。）。强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forced convection）。）。1、流动起因、流动起因第13页，共69页，编辑于2022年，星期二 2 2、流动的状态流动的状态流动的状态流动的状态层流层流紊流紊流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。子扩散（即导热）。子扩散（即导热）。子扩散（即导热）。：流流体体内内存存在在强强烈烈的的脉脉动动和和旋旋涡涡，使使各各部部分分流流体体之之间间迅迅速速混混合合，因因此此紊紊流流对对流流换换热热要要比比层层流流对对流流换换热热强强烈烈，对对流流换换热热系数大。系数大。第14页，共69页，编辑于2022年，星期二单相换热：换热过程中无相变单相换热：换热过程中无相变相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等3、流体有无相变流体有无相变 4 4、流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质流体内部和流体与壁面间导热热阻小流体内部和流体与壁面间导热热阻小流体内部和流体与壁面间导热热阻小流体内部和流体与壁面间导热热阻小单位体积流体能携带更多能量单位体积流体能携带更多能量单位体积流体能携带更多能量单位体积流体能携带更多能量有碍流体流动，不利于热对流有碍流体流动，不利于热对流有碍流体流动，不利于热对流有碍流体流动，不利于热对流自然对流换热增强自然对流换热增强自然对流换热增强自然对流换热增强体胀系数：体胀系数：体胀系数：体胀系数：对对对对于于于于理理理理想想想想气气气气体体体体，pv=RTpv=RT，可可可可得得得得 =1/T=1/T。第15页，共69页，编辑于2022年，星期二 5 5、换热表面的几何因素换热表面的几何因素换热表面的几何因素换热表面的几何因素 换换换换热热热热表表表表面面面面的的的的几几几几何何何何形形形形状状状状、尺尺尺尺寸寸寸寸、相相相相对对对对位位位位置置置置以以以以及及及及表表表表面面面面粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度等等等等几几几几何何何何因因因因素素素素将将将将影影影影响响响响流流流流体体体体的的的的流流流流动动动动状状状状态态态态，因因因因此此此此影影影影响响响响流流流流体体体体的的的的速速速速度度度度分布和温度分布，对对流换热产生影响。分布和温度分布，对对流换热产生影响。分布和温度分布，对对流换热产生影响。分布和温度分布，对对流换热产生影响。综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：第16页，共69页，编辑于2022年，星期二第17页，共69页，编辑于2022年，星期二5-3 量纲分析在对流换热中的应用量纲分析在对流换热中的应用 实实验验研研究究是是传传热热学学研研究究中中的的主主要要和和可可靠靠手手段段；尤尤其其是是复复杂杂的的传传热热学学问题问题问题问题：如何进行实验研究？如何进行实验研究？尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值模拟和数学尽管数值传热学发展很快，但实验研究仍是检验数值模拟和数学模型正确与否的唯一方法模型正确与否的唯一方法 量纲分析法指导下的实验研究量纲分析法指导下的实验研究 表面传热系数是众多因素的函数表面传热系数是众多因素的函数；有些影响因素相互制约和影响；有些影响因素相互制约和影响（如：温度与热物性）；如果采取逐个研究各变量的影响，实验（如：温度与热物性）；如果采取逐个研究各变量的影响，实验工作量极为庞大、也极难进行工作量极为庞大、也极难进行第18页，共69页，编辑于2022年，星期二1 1、量纲分析法的一些基本概念、量纲分析法的一些基本概念 量纲分析法的基本原理是量纲分析法的基本原理是量纲齐次性（和谐性）原量纲齐次性（和谐性）原理理。量纲分析法的基本方法是量纲分析法的基本方法是瑞利法瑞利法与与定理定理。定理定理的基本思路是将有量纲的物理关系表达式转变为的基本思路是将有量纲的物理关系表达式转变为无量纲准则数组成的准则数关系式。无量纲准则数组成的准则数关系式。待定准则待定准则：包含未知量：包含未知量(或待定量或待定量)的准则。的准则。已定准则已定准则：不包含未知量：不包含未知量(或待定量或待定量)的准则。的准则。准则方程准则方程:由准则数组成的方程。由准则数组成的方程。第19页，共69页，编辑于2022年，星期二2 2、用量纲分析法推导对流换热的准则方程式（、用量纲分析法推导对流换热的准则方程式（定定理）理）（1 1）找找出出与与所所研研究究现现象象有有关关的的所所有有物物理理量量，确确定定相相关的基本量纲。关的基本量纲。例如对于单相介质管内强制对流换热：例如对于单相介质管内强制对流换热：选择选择 （4 4个）作为基本物理量；个）作为基本物理量；则则 （3 3个）为非基本物理量个）为非基本物理量第20页，共69页，编辑于2022年，星期二（2 2）列出各物理量的量纲）列出各物理量的量纲单位 量纲 W/m2.M-3T-1 DmL Vm/sL-1 kg/m3ML-3 CpJ/kg.L2-2T-1 kg/m.s ML-1-1 W/(m.)ML-3T-1 第21页，共69页，编辑于2022年，星期二（3 3）从）从4 4个基本物理量以外的非基本物理量中，每次轮取个基本物理量以外的非基本物理量中，每次轮取一个，与四个基本物理量组合成一个无量纲一个，与四个基本物理量组合成一个无量纲项，共有项，共有3 3个个项，即：项，即：第22页，共69页，编辑于2022年，星期二（4 4）根据量纲和谐，解出各）根据量纲和谐，解出各项的待定指数：项的待定指数：对于对于 ：则：则：解得：解得：于是：于是：定义为：定义为：（努谢尔特数）（努谢尔特数）第23页，共69页，编辑于2022年，星期二同理对于同理对于 ：则：则：解得：解得：于是：于是：定义为：定义为：（雷诺数）（雷诺数）第24页，共69页，编辑于2022年，星期二对于对于 ：则：则：解得：解得：于是：于是：定义为：定义为：（普朗特数）（普朗特数）第25页，共69页，编辑于2022年，星期二（5 5）写成一般形式的无量纲关系式）写成一般形式的无量纲关系式准则方程式准则方程式u NuNu准则对其他准则的显函数形式准则对其他准则的显函数形式(是作为未知量是作为未知量)u 待定准则待定准则/已定准则已定准则u 实验次数的变化实验次数的变化或：或：第26页，共69页，编辑于2022年，星期二自然对流换热自然对流换热一般关系式：一般关系式：f（gt，L，cp，）gt体现了浮升力的影响体现了浮升力的影响Nu（r，r）urmPrn 自然对流无量纲准则公式的推导作为本章作业自然对流无量纲准则公式的推导作为本章作业 称为称为葛拉晓夫准则数葛拉晓夫准则数，它体现了，它体现了浮升力对换热的影响，在自然对流换热中，它浮升力对换热的影响，在自然对流换热中，它的作用相当于受迫流动中的作用相当于受迫流动中ReRe的作用。的作用。第27页，共69页，编辑于2022年，星期二3、准则数的定义及其物理意义、准则数的定义及其物理意义流体受迫流动状态（层流或紊流）的判据流体受迫流动状态（层流或紊流）的判据显示自由流动的强弱程度显示自由流动的强弱程度第28页，共69页，编辑于2022年，星期二Pr是温度的函数是温度的函数表征对流换热程度强弱的准则表征对流换热程度强弱的准则表征流体物性对换热影响的准则表征流体物性对换热影响的准则第29页，共69页，编辑于2022年，星期二对流换热准则方程式对流换热准则方程式u 对流换热现象中准则之间的函数式：u 强制对流的换热准则函数式：u 自由对流的换热准则函数式：第30页，共69页，编辑于2022年，星期二相似特征数关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定相似特征数关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性的经验性目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用特征数关联式通常整理成幂函数形式：特征数关联式通常整理成幂函数形式：式中，式中，c、n、m 等需由实验数据确定等需由实验数据确定4、实验数据的整理方法、实验数据的整理方法第31页，共69页，编辑于2022年，星期二 图解法图解法 平均值法平均值法 最小二乘法最小二乘法实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算机确定各常实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算机确定各常量量幂函数在对数坐标图上是直线幂函数在对数坐标图上是直线第32页，共69页，编辑于2022年，星期二5 5、定性温度、特征长度和特征速度定性温度、特征长度和特征速度定性温度、特征长度和特征速度定性温度、特征长度和特征速度 (1)(1)定性温度定性温度定性温度定性温度a)a)流体温度：流体温度：流体温度：流体温度：流体沿平板流动换热时：流体沿平板流动换热时：流体沿平板流动换热时：流体沿平板流动换热时：流体在管内流动换热时：流体在管内流动换热时：流体在管内流动换热时：流体在管内流动换热时：b)热边界层的平均温度：热边界层的平均温度：c)c)壁面平均温度：壁面平均温度：壁面平均温度：壁面平均温度：在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如：温度，如：温度，如：温度，如：，使用特，使用特，使用特，使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致征数关联式时，必须与其定性温度一致征数关联式时，必须与其定性温度一致征数关联式时，必须与其定性温度一致 相似特征数中所包含的物性参数，如：相似特征数中所包含的物性参数，如：相似特征数中所包含的物性参数，如：相似特征数中所包含的物性参数，如：、PrPr 等，往往取决等，往往取决等，往往取决等，往往取决于温度，于温度，于温度，于温度，确定物性的温度即定性温度。确定物性的温度即定性温度。确定物性的温度即定性温度。确定物性的温度即定性温度。第33页，共69页，编辑于2022年，星期二流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取取取取当量直径当量直径当量直径当量直径作为特征尺度：作为特征尺度：作为特征尺度：作为特征尺度：(2)(2)特征长度特征长度特征长度特征长度 （定型尺度）（定型尺度）（定型尺度）（定型尺度）如：管内流动换热：取如：管内流动换热：取如：管内流动换热：取如：管内流动换热：取直径直径直径直径 d dA A 槽道截面积；槽道截面积；槽道截面积；槽道截面积；U U 湿周湿周湿周湿周 沿平板流动换热：取沿平板流动换热：取沿平板流动换热：取沿平板流动换热：取板长板长板长板长 l l 或坐标或坐标或坐标或坐标 x x(3)特征速度特征速度流体外掠平板或绕流圆柱：取流体外掠平板或绕流圆柱：取流体外掠平板或绕流圆柱：取流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度来流速度来流速度来流速度管内流动：取截面上的管内流动：取截面上的管内流动：取截面上的管内流动：取截面上的平均速度平均速度平均速度平均速度流体绕流管束：取最小流通截面的流体绕流管束：取最小流通截面的流体绕流管束：取最小流通截面的流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度最大速度最大速度最大速度包含在相似特征数中的几何长度；包含在相似特征数中的几何长度；包含在相似特征数中的几何长度；包含在相似特征数中的几何长度；ReRe、GrGr、NuNu中中中中的长度，应取对于流动和换热有的长度，应取对于流动和换热有的长度，应取对于流动和换热有的长度，应取对于流动和换热有显著影响显著影响显著影响显著影响的几何尺度的几何尺度的几何尺度的几何尺度ReRe数中的流体速度数中的流体速度数中的流体速度数中的流体速度第34页，共69页，编辑于2022年，星期二6-1 管内受迫对流换热管内受迫对流换热6-2 外绕面受迫对流换热外绕面受迫对流换热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六章第六章 无相变对流换热准则方程式无相变对流换热准则方程式 第35页，共69页，编辑于2022年，星期二6-1 管内受迫对流换热管内受迫对流换热 1 1、流态、流态、流态、流态 流体在管内受迫流动时，会呈现流体在管内受迫流动时，会呈现流体在管内受迫流动时，会呈现流体在管内受迫流动时，会呈现紊流紊流紊流紊流，层流层流和和和和过渡流过渡流过渡流过渡流三种流态。三种流态。一一、管内受迫对流换热的特点、管内受迫对流换热的特点l lRe2300Re2300 层流层流层流层流；l l2300Re102300Re10Re104 紊流紊流紊流紊流 紊流的换热效果比层流的好。在换热计算时，应先计紊流的换热效果比层流的好。在换热计算时，应先计紊流的换热效果比层流的好。在换热计算时，应先计紊流的换热效果比层流的好。在换热计算时，应先计算算算算Re判断流态，再选用公式。判断流态，再选用公式。第36页，共69页，编辑于2022年，星期二2 2、入口段和充分发展段（进口效应）、入口段和充分发展段（进口效应）、入口段和充分发展段（进口效应）、入口段和充分发展段（进口效应）流体在管内流动属于内部流动过程，其流体在管内流动属于内部流动过程，其主要特征是，主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动存在着两个明显的流动区段，即流动入口区段流动入口区段和和流流动充分发展区段动充分发展区段。第37页，共69页，编辑于2022年，星期二层流层流紊流紊流 对于紊流，由于一开始是层流，对于紊流，由于一开始是层流，x；当向紊流过渡时当向紊流过渡时x，随着边界层厚度随着边界层厚度t，x；最后最后x=const。因此在因此在短管短管中必须考虑中必须考虑入口效应入口效应的影响。的影响。第38页，共69页，编辑于2022年，星期二 进口段的进口段的进口段的进口段的比充分发展段的比充分发展段的比充分发展段的比充分发展段的大。大。通常计算平均对流换热系数的经通常计算平均对流换热系数的经验公式用于验公式用于L50D的长管，对于的长管，对于L50D的短管，应的短管，应进行修正进行修正，即：，即：为为管长修正系数管长修正系数，其值如表其值如表6-6-1所示，或以下公式确定：所示，或以下公式确定：紊流紊流第39页，共69页，编辑于2022年，星期二3 3、流体热物性变化、流体热物性变化、流体热物性变化、流体热物性变化 当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度变当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影响会发生改变，尤其是化比较大，流体的物性受温度的影响会发生改变，尤其是流体流体粘性随温度的变化导致管截面上流体速度的分布也发生改粘性随温度的变化导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换变，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。液体被加热或气体被冷却液体被冷却或气体被加热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 流体平均温度相同流体平均温度相同的条件下，液体被加热的条件下，液体被加热时的对流换热系数时的对流换热系数高于高于液体被冷却时的对流液体被冷却时的对流换热系数。换热系数。因此必须考虑因此必须考虑流体物性随温度变化流体物性随温度变化的影响。的影响。第40页，共69页，编辑于2022年，星期二 要计及流体热物性对换热的影响，通常要计及流体热物性对换热的影响，通常要计及流体热物性对换热的影响，通常要计及流体热物性对换热的影响，通常要引入要引入要引入要引入温度修正系数温度修正系数温度修正系数温度修正系数：4 4、弯管效应、弯管效应、弯管效应、弯管效应离心力离心力离心力离心力二次环流二次环流二次环流二次环流换热增强换热增强换热增强换热增强弯曲管道流动情况示意图弯曲管道流动情况示意图弯管修正系数：弯管修正系数：气体：气体：液体：液体：R弯管的曲率半径；弯管的曲率半径；d管子内径。管子内径。第41页，共69页，编辑于2022年，星期二5 5、非圆截面、非圆截面、非圆截面、非圆截面 可近似应用对圆管得出的传热公式，但：可近似应用对圆管得出的传热公式，但：de当量直径；当量直径；Ac过流断面面积；过流断面面积；U湿周。湿周。6、管壁粗糙度的影响、管壁粗糙度的影响层流：影响不大层流：影响不大紊流：粗糙度紊流：粗糙度层流底层厚层流底层厚 L 局部努赛尔数（布拉修斯公式）：局部努赛尔数（布拉修斯公式）：局部对流换热系数：局部对流换热系数：平均对流换热系数：平均对流换热系数：平均努赛尔数：平均努赛尔数：第53页，共69页，编辑于2022年，星期二x cL 2 2、整板紊流的准则方程式整板紊流的准则方程式 局部努赛尔数（考尔朋公式）：局部努赛尔数（考尔朋公式）：局部对流换热系数：局部对流换热系数：平均对流换热系数：平均对流换热系数：平均努赛尔数：平均努赛尔数：第54页，共69页，编辑于2022年，星期二 注意：注意：注意：注意：(1)(1)(1)(1)上述公式的适用范围：上述公式的适用范围：上述公式的适用范围：上述公式的适用范围：(2)(2)(2)(2)定性温度取壁面与流体的平均温度定性温度取壁面与流体的平均温度定性温度取壁面与流体的平均温度定性温度取壁面与流体的平均温度t tmm (3)(3)(3)(3)特征尺寸为沿程距离特征尺寸为沿程距离特征尺寸为沿程距离特征尺寸为沿程距离x x与板长与板长与板长与板长L L，特征速度为来流速度。，特征速度为来流速度。，特征速度为来流速度。，特征速度为来流速度。（4 4 4 4）绕平板的临界雷诺数为）绕平板的临界雷诺数为）绕平板的临界雷诺数为）绕平板的临界雷诺数为 3、x c c 与与（L-x c c）比较接近，则在比较接近，则在 区域内区域内为层流为层流 ，而，而 区域内为紊流。区域内为紊流。第55页，共69页，编辑于2022年，星期二二、横掠单管和管束的换热（平均换热系数）二、横掠单管和管束的换热（平均换热系数）1 1、横掠单管的流动特征、横掠单管的流动特征、横掠单管的流动特征、横掠单管的流动特征 （1 1）边界层的形成和发展过程）边界层的形成和发展过程）边界层的形成和发展过程）边界层的形成和发展过程 层流边界层层流边界层层流边界层层流边界层 紊流边界层紊流边界层紊流边界层紊流边界层第56页，共69页，编辑于2022年，星期二 边边界界层层为为层层流流，脱体点在脱体点在 边边边边界界界界层层层层先先先先从从从从层层层层流流流流转转转转变变变变 为为为为 紊紊紊紊 流流流流，脱脱脱脱 体体体体 点点点点 在在在在 处。处。处。处。当当当当 当当当当（2 2）脱体的产生）脱体的产生）脱体的产生）脱体的产生第57页，共69页，编辑于2022年，星期二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）定型尺寸定型尺寸取圆管外直径取圆管外直径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和指数和指数n随随Rem而而变，见表变，见表6-2上式适用范围：冲击角上式适用范围：冲击角若若，流体流过圆管时，使旋涡区缩小，且正对，流体流过圆管时，使旋涡区缩小，且正对来流的冲击减弱，会来流的冲击减弱，会促使平均换热系数促使平均换热系数降低降低。故需乘。故需乘斜冲校正系数斜冲校正系数，见图，见图6-5。2、流体外掠单圆管的准则方程式、流体外掠单圆管的准则方程式第58页，共69页，编辑于2022年，星期二 例例例例6-46-4第59页，共69页，编辑于2022年，星期二3.横掠管束的换热的准则方程式横掠管束的换热的准则方程式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。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。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：叉排叉排或顺排或顺排；管间距管间距；管束排数管束排数等。等。第60页，共69页，编辑于2022年，星期二第61页，共69页，编辑于2022年，星期二横掠管束的对流换热准方程式（格里森）横掠管束的对流换热准方程式（格里森）umRemnrm1/3 (6-12)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和和指数指数n见表见表6-3。特征流速取管间最大流速特征流速取管间最大流速Umax。用于用于10排以上的管束。如管排少于排以上的管束。如管排少于10，求得的换热系数须，求得的换热系数须乘以乘以管排校正系数管排校正系数N,见表见表6-4。束流的冲击角束流的冲击角 90时，则由上述求得的换热系数还需乘时，则由上述求得的换热系数还需乘以以斜冲校正系数斜冲校正系数，见表，见表6-5。第62页，共69页，编辑于2022年，星期二特征速度的计算特征速度的计算特征速度：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63页，共69页，编辑于2022年，星期二6-3 自然对流换热的准则关系式自然对流换热的准则关系式 温差温差温差温差密度差密度差密度差密度差浮升力浮升力浮升力浮升力自然对流自然对流自然对流自然对流自然对流换热自然对流换热自然对流换热自然对流换热自然对流换热机理自然对流换热机理自然对流换热分类自然对流换热分类无限空间（大空间）无限空间（大空间）有限空间（小空间）有限空间（小空间）有限空间（小空间）有限空间（小空间）自然对流换热层流和紊流的判据自然对流换热层流和紊流的判据 GrGr的大小决定了自然对流的流态，绝大多数文献推荐的大小决定了自然对流的流态，绝大多数文献推荐的大小决定了自然对流的流态，绝大多数文献推荐的大小决定了自然对流的流态，绝大多数文献推荐用用用用瑞利数（瑞利数（瑞利数（瑞利数（RaRa）作为流态的判据作为流态的判据第64页，共69页，编辑于2022年，星期二第65页，共69页，编辑于2022年，星期二一、大空间自然对流换热一、大空间自然对流换热 大大大大空空空空间间间间：换换换换热热热热面面面面附附附附近近近近的的的的流流流流体体体体的的的的流流流流动动动动没没没没有有有有受受受受到到到到紧紧紧紧挨挨挨挨着着着着的其他换热表面的干扰。的其他换热表面的干扰。的其他换热表面的干扰。的其他换热表面的干扰。麦阿当姆推荐用下列准则方程式来计算平均放热系数麦阿当姆推荐用下列准则方程式来计算平均放热系数 umC(rPr)mn （6-13)说明：说明：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和和指指数数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，位位置及置及(GrPr)m的数值范围由表的数值范围由表6-6查取。查取。第66页，共69页，编辑于2022年，星期二二、小空间自然对流换热二、小空间自然对流换热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。自然对流换热。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的导热过程当作相当的导热过程当量导热系数的计算当量导热系数的计算换热量换热量第67页，共69页，编辑于2022年，星期二本章小结：无相变对流换热准则公式本章小结：无相变对流换热准则公式 紊流紊流6-1;6-2(f/w)n;l ;R 管内管内 层流层流 6-5 过渡流过渡流 6-6受迫对流受迫对流 层流层流 6-9 平板平板 紊流紊流 6-10 层流紊流共存层流紊流共存 6-8 外绕外绕 单管单管 6-11 管束管束 6-12 ；N 大空间大空间 6-13自然对流自然对流 小空间小空间 6-14无无相相变变有有相相变变对对流流换换热热第68页，共69页，编辑于2022年，星期二本章作业本章作业6-2、6-3、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69页，共69页，编辑于2022年，星期二