传热学第6章ppt课件

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1、第六章第六章 单相对流传热的实验关联式单相对流传热的实验关联式 1第6章 对流换热2第6章 对流换热 6-1 6-1 相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析1 1 问题的提出问题的提出A 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 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)(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三个问题相似原理将回答上述三个问题(1)(1)变量太多变量太多3第6章 对流换热特征数方程：无量纲特征数方程：无量纲量之间的

2、函数关系量之间的函数关系相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，研究相似物理现象之间的关系，物理现象相似：物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相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一一对应应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。成比例。同类物理现象同类物理现象用相同形式并具有相同内容的微分方程式用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。所描写的现象。物理现象相似的特性物理现象相似的特性(2)(2)各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外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：略平板对流换热

3、特征数：(1)(1)同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；4第6章 对流换热4 4 物理现象相似的条件物理现象相似的条件 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、物理条件测量哪些物理量测量哪些物理量：只需测量各特征数所包含的物理量只需测量各特征数所包含的物理量实验数据如何整理实验数据如何整理：按特征数之间的函数关系整理按特征数之间的函数关系整理 某一物理现象涉及哪些无量纲数？函数关系如何？某一物理现象涉及哪些无量纲数？函数关系如何？如何进行试验如何进行试验：相似原理的指导下采用模化试验相似原

4、理的指导下采用模化试验 5第6章 对流换热5 5 无量纲量的获得：无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法相似分析法和量纲分析法(1)(1)相似分析法：相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。以左图的对流换热为例，以左图的对流换热为例，现象现象1 1：现象现象2 2：6第6章 对流换热建立相似倍数：建立相似倍数：相似倍数间的关系：相似倍数间的关系：7第6章 对流换热获得无量纲

5、量及其关系：获得无量纲量及其关系：类似地：通过动量微分方程可得：类似地：通过动量微分方程可得：能量微分方程能量微分方程：贝克来数8第6章 对流换热自然对流：相似分析，可得自然对流：相似分析，可得格拉晓夫数格拉晓夫数式中：式中：流体的体积膨胀系数流体的体积膨胀系数 K K-1-1 Gr Gr 表征流体浮生力与粘性力的比值表征流体浮生力与粘性力的比值 9第6章 对流换热a a 基本依据：基本依据：定理：定理：n n个物理量个物理量 n-r n-r 个独立的无量纲物理量群间的关系。个独立的无量纲物理量群间的关系。r r 指基本量纲的数目。指基本量纲的数目。b b 优点优点:(a)(a)方法简单；方法

6、简单；(b)(b)在不知道微分方程的情在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量况下，仍然可以获得无量纲量 例题：以圆管内单相强制对流换热为例例题：以圆管内单相强制对流换热为例 (a)(a)确定相关的物理量确定相关的物理量 (2)(2)量纲分析法：（自学）量纲分析法：（自学）10第6章 对流换热国际单位制中的国际单位制中的7 7个基本量：长度个基本量：长度mm，质量，质量kgkg，时间，时间ss，电流，电流AA，温度，温度KK，物质的量，物质的量molmol，发光强度，发光强度cdcd因此，上面涉及了因此，上面涉及了4 4个基本量纲：时间个基本量纲：时间TT，长度，长度LL，质量，质量MM

7、，温度，温度 r=4 r=4(b)b)确定基本量纲确定基本量纲 r r 11第6章 对流换热n n r=3 r=3，三个无量纲量，三个无量纲量，选定选定4 4个基本物理量个基本物理量u,d,u,d,为基本物理量为基本物理量(c)(c)组成三个无量纲量组成三个无量纲量 (d)(d)求解待定指数，以求解待定指数，以 1 1 为例为例12第6章 对流换热13第6章 对流换热同理：同理：于是有：于是有：单相、强制对流14第6章 对流换热同理，对于其他情况：同理，对于其他情况：自然对流换热：自然对流换热：混合对流换热：混合对流换热：Nu Nu 待定特征数待定特征数 （含有待求的（含有待求的 h h）Re

8、Re，PrPr，Gr Gr 已定特征数已定特征数强制对流强制对流:15第6章 对流换热(1)(1)模化试验应遵循的原则模化试验应遵循的原则a a 模型与原型中的对流换热过程必须相似；模型与原型中的对流换热过程必须相似；b b 单值性条件必须相似，已定特征数相等；单值性条件必须相似，已定特征数相等；c c 物性相似通过引入定性温度来近似实现物性相似通过引入定性温度来近似实现1 1 如何进行模化试验如何进行模化试验6-2 6-2 相似原理的应用相似原理的应用 16第6章 对流换热(a)(a)流体温度：流体温度：(2)(2)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a a 定性温度：相

9、似特征数中所包含的物性参数，如：定性温度：相似特征数中所包含的物性参数，如：、PrPr等，往往取决于温度等，往往取决于温度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：(b)(b)热边界层的平均温度：热边界层的平均温度：(c)(c)壁面温度：壁面温度：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温度，如：如：使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致17第6章 对流换热b b 特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；特征长度：包含在相似特征数中的几何长度

10、；取对于流动和换热有显著影响的几何尺度取对于流动和换热有显著影响的几何尺度不规则槽道：当量直径不规则槽道：当量直径当量直径当量直径(de)(de)A Ac c 过流断面面积，过流断面面积，m m2 2 P P 湿周，湿周，m m18第6章 对流换热c c 特征速度：特征速度：ReRe数中的流体速度数中的流体速度流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度管内流动：取截面上的平均速度管内流动：取截面上的平均速度流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度 19第6章 对流换热2 2 常见无量纲常见无量纲(准则数准则数)数的物理意义及表达式（

11、数的物理意义及表达式（241241）20第6章 对流换热3 3 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）通常整理成已定准则的幂函数形式：通常整理成已定准则的幂函数形式：式中，式中，c c、n n、m m 等需由实验数据确定，通常由图解法和等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定最小二乘法确定 21第6章 对流换热2222 最小二乘法确定各常量最小二乘法确定各常量特征数关联式与实验数据的偏差用百分数表示特征数关联式与实验数据的偏差用百分数表示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22第6章 对流换热（1 1）实验中应测哪些量实验中应测

12、哪些量（是否所有的物理量都测）（是否所有的物理量都测）（2 2）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）（3 3）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？回答了关于试验的三大问题：回答了关于试验的三大问题：所涉及到的一些概念、性质和判断方法：所涉及到的一些概念、性质和判断方法：物理现象相似、同类物理现象、物理现象相似、同类物理现象、物理现象相似的特性、物理现象相似的特性、物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度温度、特征长度和特

13、征速度 无量纲量的获得：无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法相似分析法和量纲分析法相似原理相似原理23第6章 对流换热自然对流换热：自然对流换热：混合对流换热：混合对流换热：强制对流强制对流:常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义物理意义 模化试验应遵循的准则数方程模化试验应遵循的准则数方程试验数据的整理形式：试验数据的整理形式：24第6章 对流换热复习自然对流换热：自然对流换热：强制对流强制对流:25第6章 对流换热6-3 6-3 内部强制对流换热实验关联式内部强制对流换热实验关联式一、管槽内强制对流流动和换热的特征一、管槽内强

14、制对流流动和换热的特征 1.1.两种流态两种流态 v层流：层流：v过渡区：过渡区：v旺盛湍流：旺盛湍流：26第6章 对流换热2.2.入口段和充分发展段入口段和充分发展段 湍流湍流时时:层流层流湍流湍流层流层流入口段长度入口段长度:27第6章 对流换热3.3.两种典型的热边界条件两种典型的热边界条件均匀壁温均匀壁温和和均匀热流均匀热流两种两种。湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显层流：两种边界条件下的换热系数差别明显 v 28第6章 对流换热4.4.特征速度及定性温度的确定特征速度及定性温度的确定 特征速度：截面

15、平均流速。特征速度：截面平均流速。定性温度：截面上流体的平均温度定性温度：截面上流体的平均温度或进出口截面平均温度或进出口截面平均温度 5.5.牛顿冷却公式中的平均温差牛顿冷却公式中的平均温差 对恒热流条件，可取对恒热流条件，可取 作为作为 。对对于于恒恒壁壁温温条条件件，截截面面上上的的局局部部温温差差是是个个变变值值，应利用热平衡式：应利用热平衡式：29第6章 对流换热为质量流量；为质量流量；分别为出口、进口截面上分别为出口、进口截面上 的平均温度；的平均温度；按对数平均温差计算：按对数平均温差计算：30第6章 对流换热二二.管内管内湍流湍流换热实验关联式换热实验关联式 1.1.常规流体常

16、规流体（Pr0.6)Pr0.6)迪贝斯贝尔特公式：迪贝斯贝尔特公式：加热流体时加热流体时 冷却流体时冷却流体时 式中式中:定性温度：流体平均温度定性温度：流体平均温度特征长度：特征长度：管内径。管内径。实验验证范围：实验验证范围：适用与流体与壁面具有中等以下温差场合适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。31第6章 对流换热变物性影响的修正变物性影响的修正 一般在关联式中引进乘数一般在关联式中引进乘数 来考虑来考虑不均匀物性场对换热的影响。不均匀物性场对换热的影响。32第6章 对流换热大温差情形，可采用下列任何一式计算。大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1 1）迪贝斯贝尔特修正公式迪贝斯贝尔

17、特修正公式 对气体被加热时，对气体被加热时，当气体被冷却时，当气体被冷却时，对液体对液体液体受热时液体受热时 液体被冷却时液体被冷却时33第6章 对流换热（2 2）采用齐德泰特公式：）采用齐德泰特公式：定性温度：定性温度：（按壁温按壁温 确定），确定），特征长度：管内径特征长度：管内径 实验验证范围为：实验验证范围为：34第6章 对流换热（3 3）采用米海耶夫公式）采用米海耶夫公式：定性温度，定性温度，特征长度：管内径特征长度：管内径 实验验证范围为：实验验证范围为：35第6章 对流换热上述准则方程的应用范围可进一步扩大。上述准则方程的应用范围可进一步扩大。（1 1）非圆形截面槽道）非圆形截面

18、槽道 特征尺度：当量直径特征尺度：当量直径 注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的的 方法会导致较大的误差。方法会导致较大的误差。36第6章 对流换热 （3 3）螺线管）螺线管 螺线管修正系数：螺线管修正系数：对于气体对于气体 对于液体对于液体（2 2）入口段）入口段 入口段的传热系数较高入口段的传热系数较高入口效应修正系数：入口效应修正系数：以上所有方程适用范围：以上所有方程适用范围：37第6章 对流换热2.2.液态金属液态金属推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：均匀热流边界均匀热流边界 实验验证

19、范围：实验验证范围：均匀壁温边界均匀壁温边界 实验验证范围：实验验证范围：特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。38第6章 对流换热三三.管内管内层流层流换热关联式换热关联式层流充分发展对流换热的结果很多。层流充分发展对流换热的结果很多。39第6章 对流换热续表续表40第6章 对流换热 41第6章 对流换热 定性温度定性温度特征长度：管内径特征长度：管内径管子处于均匀壁温管子处于均匀壁温 实验验证范围为：实验验证范围为：实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式。范围。可

20、采用下列齐德泰特公式。42第6章 对流换热解解 l/d60.l/d60.由由迪贝斯贝尔特公式迪贝斯贝尔特公式例题例题6-16-1 水流过长水流过长l=5m,l=5m,壁温均匀的直管时壁温均匀的直管时,从从=25.3=25.3被加被加热到热到=34.6.=34.6.管子的内径管子的内径d=20mm,d=20mm,水在管内的流速为水在管内的流速为2m/s,2m/s,求求表面传热系数表面传热系数.计算计算,待算出待算出h h后再推算壁温后再推算壁温,并校核温差是否在适用范围之并校核温差是否在适用范围之内内.水的平均温度为水的平均温度为以此为定性温度以此为定性温度,从附录查得从附录查得由此得由此得流动

21、处于旺盛湍流区流动处于旺盛湍流区.43第6章 对流换热由由迪贝斯贝尔特公式迪贝斯贝尔特公式求求h h被加热水每秒内的吸热量为被加热水每秒内的吸热量为44第6章 对流换热用下式计算壁温用下式计算壁温:温差温差,远小于远小于2020,在适用范围内在适用范围内,故所求故所求得的得的 即为本题答案即为本题答案.6.3.4自学自学45第6章 对流换热6-4 6-4 外部流动强制对流换热实验关联式外部流动强制对流换热实验关联式 外部流动：流动边界层与热边界层能自由发展外部流动：流动边界层与热边界层能自由发展 一一.横掠单管换热实验关联式横掠单管换热实验关联式 流动特征：绕流脱体流动特征：绕流脱体 46第6

22、章 对流换热局部表面传热系数局部表面传热系数10Re1.5105 湍流湍流脱体脱体140e10 无脱体无脱体47第6章 对流换热平均表面传热系数平均表面传热系数48第6章 对流换热可采用以下分段幂次关联式：可采用以下分段幂次关联式：定性温度：定性温度：特征长度：管外径特征长度：管外径特征速度：来流速度特征速度：来流速度 实验验证范围：实验验证范围：，49第6章 对流换热二二.横掠管束换热实验关联式横掠管束换热实验关联式排列方式：叉排排列方式：叉排顺排顺排影响管束换热的因素：影响管束换热的因素：1 1）数）数2 2）排列方式）排列方式3 3）管间距）管间距4 4）管束排数等）管束排数等50第6章

23、 对流换热管束的实验关联式（管束的实验关联式（1010排以上）排以上）定性温度：定性温度：特征长度：管外径特征长度：管外径d d 特征流速：最窄截面处的流速特征流速：最窄截面处的流速 实验验证范围：实验验证范围：管束排数的影响：管束排数的影响：后排管受前排管尾流的扰动作用后排管受前排管尾流的扰动作用直到直到1010排以上的管子才能消失。排以上的管子才能消失。51第6章 对流换热 C和和m的值见下表的值见下表52第6章 对流换热排数少于排数少于1010排的管束排的管束在上式基础上乘以管排修正系数在上式基础上乘以管排修正系数 值见表值见表 53第6章 对流换热 茹卡乌斯卡斯公式：表茹卡乌斯卡斯公式

24、：表6-76-7，6-8 6-8 定性温度：进出口流体平均温度定性温度：进出口流体平均温度特征长度：管外径特征长度：管外径d d 特征流速：最窄截面处的流速特征流速：最窄截面处的流速 实验验证范围：实验验证范围：54第6章 对流换热 v 55第6章 对流换热6-5 6-5 自然对流换热及实验关联式自然对流换热及实验关联式 1.速度分布速度分布2.温度分布温度分布56第6章 对流换热57第6章 对流换热v流态：层流和湍流流态：层流和湍流v层层流流时时，换换热热热热阻阻主主要要取取决于薄层的厚度。决于薄层的厚度。v旺旺盛盛湍湍流流时时，局局部部表表面面传传热系数几乎是常量。热系数几乎是常量。58第

25、6章 对流换热 自然对流换热的准则方程式自然对流换热的准则方程式 参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。薄层外薄层外59第6章 对流换热将此关系带入上式得将此关系带入上式得 引入体积膨胀系数引入体积膨胀系数 ：代入动量方程并令代入动量方程并令 改写原方程改写原方程60第6章 对流换热相似分析相似分析61第6章 对流换热 格拉晓夫数格拉晓夫数浮升力浮升力/粘滞力粘滞力 自然对流换热准则方程式为自然对流换热准则方程式为62第6章 对流换热 自然对流换热自然对流换热大空间大空间有限空间有限空间底部封闭底部封闭底部开口底部开口63第6章 对流换热 定性温度采用定性温度采用特征长度：特征长度：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径一一.大空间自然对流换热的实验关联式大空间自然对流换热的实验关联式 理想气体理想气体64第6章 对流换热二二.有限空间及混合自然对流换热（自学）有限空间及混合自然对流换热（自学）65第6章 对流换热第第6 6章作业：章作业：1 1，8 8，1010，1616，2525，2626，3333，3838，4141，48486.6节自学节自学66第6章 对流换热