§6-1§6-2管内受迫对流换热剖析
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点PPT汇总
热进口段
热充分发展段
αx αx 0 x
图1 层流进口段与充分发展段
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点
段。流入管内的流体，由于与管壁摩擦的结果，靠近管壁的 流体速度逐渐减小，但因流体的流量一定，所以通过各截面 中心的流体流速逐渐增加，直至流体流动达到稳定流速分布 也就不再改变了，称为发展段。入口段长度仅为10d～45d， 一般取50d。计算中把长度小于50d的管道称短管，长度大于 等于50d的管道称长管。 在流体趋向稳定的一段，即入口段内，由于流体流动状 况在不断的变化，所以换热情况也要随着发生变化。 在紊流状态下，在入口段中，层流边界层的厚度从零开 始不断增加，直到进入发展段为止。边界层的厚度随Re的增 加而减小。 流体温度沿截面的分布和速度的分布一样，在入口段也
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点
数曲线。 1.入口段的影响 上述层流和紊流 的流速分布规律只对 流动达到稳定状态才 正确。流体在刚进入 管内时的流速分布是 不断变化着的，流动 状态是不稳定的。只 有在流过一段距离以 后才能达到稳定，通 常称这段距离为入口
δ w
流动进口段 δt
流动充分发展段
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点
此外，在管内层流对流换热问题中，由于截面上各点温 度不一致，在流体中形成了浮升力，并出现了自然对流，最 后也影响了截面上的流速分布。 通过以上分析可见，图2中曲线2的流动边界层厚于曲线 3 的流动边界层。因此，相同条件下液体被加热时对流换热 系数要大于液体被冷却时对流换热系数，气体则相反。 3.管道弯曲的影响 当流体在弯管中流动时，由于离心力的作用，流体的流 动将向弯管外侧挤压，并在截面上引起附加的二次环流 (见 图3)。曲率半径愈大，离心作用的影响就愈小；流体的断面 平均流速越大产生的二次环流流速就越大。由于弯管中附加 环流的出现，加剧了流体的扰动，结果使弯管的换热系数增
管内受迫对流流动和换热的特征
管内受迫对流流动和换热的特征
（1）层流和紊流流动区域划分
层流区：Re<2300
过渡区：2300<Re<104
旺盛紊流区：Re<104
（2）层流和紊流的速度分布特点
层流速度分布：为抛物线u/u0=0.5
紊流速度分布：u/u0=f（Re）
(3)入口段与充分发展段
流动进口段：流动边界层的厚度从0逐渐增加，当管道足够长时，边界层的厚度等于管道半径，且此厚度不再增加，流体经过的这段距离即为流动进口段。
充分发展段:边界层汇合于管道中心线，厚度不再变化起称为充分发展段。
换
（4）热边界条件有均匀璧温和均匀热流
湍流：除液态金属外，两种条件的差别不可计。
层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。
传热学第六章对流换热
6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体
u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界
§6-1§6-2管内受迫对流换热
流体平均温度相同的条件下， 液体被加热时的表面传热系数 高于液体被冷却时的值。
Heat Transfer
建筑工程系
The Department
of Construction Engineering
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（四）管子的几何特征 1.管长 入口段的长短对管道表面传热系数产生影响。一些经验公式 对管长范围有规定，引入管长修正系数修正管长对换热的影响。 2.管径 在不改变流速和温度的条件下，采用小直径管能够提高表面 传热系数。
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二. 管内对流换热实验关联式 1. 紊流换热
（1）实用上使用最广的是迪图斯－贝尔特公式：
Nu f 0.023Re Pr
0.8 f
n f
加热流体时： 冷却流体时：
n 0.4 n 0.3
， 。
式中: 定性温度采用流体平均温度 径。
tf
，特征长度为管内
Heat Transfer
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其中：tf/、tf//分别为进出口断面流体的平均温度。为方便起见，一般仍将全管流 体的平均温度记作tf。
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of Construction Engineering
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（二）管流平均温度换热平均温差 管内流体平均温度 ②常壁温边界条件： 。 tw=Const t
1.进口段与充分发展段 1>.流动进口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此 时： u=f（x,r） 流动充分发展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发 展。此时： r=0； u/x=0，但 u/y≠0。
充分发展段的流态判断：
Heat Transfer
2>.对于换热状态 热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后， 热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。 热充分发展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分 发展，故称为～。 热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随 x是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf） 将保持不变，即：
第6章-单相流体对流换热
Re 2300
2300 Re 10
4
Re 10
4
与外掠平板（板流）相比，
管内流动（管流）出现4个新的特征：
1. 进（入）口段、充分发展段； 2. 管内流体平均速度、平均温度； 3. 物性场的不均匀性 4. 几何特征
外掠平板边界层
1. 进（入）口段、充分发展段
Pr = 1
实验验证范围： Re 3.6 103 ～ 9.05 105 , f 均匀tw 边界 实验验证范围：
Nuf 5.0 0.025Pef
Pef 100
0.8
定性温度——流体平均温度，特征长度——din
Ref Prf f 管子很 ，且 l / d w 3. 层流 层流充分发展段对流换热的分析解结果很多。
第六章 单相流体换热分析
Convection of Single Phase Fluid
主要内容
单相流体对流换热（自由运动、强制对流）
§6-1 §6-2 §6-3
管内受迫对流换热 外掠圆管对流换热 自然对流换热
§6-1 管内受迫对流换热（管流）
一、一般分析
有层流、紊流之分
层流：
0.45
Tf 0.6 Prf 1.5,0.5 1.5,2300 Ref 104 Tw
液体
Nu f 0.012 (Ref
0.87
280) Prf
0.4
d 2 / 3 Prf 1 ( ) l Pr w
0.11
Prf 1.5 Prf 500,0.05 20, 2300 Ref 104 Prw
单相流体对流换热及准则关联式
CCE
第6章 单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
3
BEFE
6-1-1管内流动边界层 flow boundary-layer in a tube
一、流动状况分析 流动的进口段
从进口处至流动 边界层汇合于管 中心这一段管长
(hydrodynamic entry region or developing region) Lf
qw=const Lh 0.07Re Pr d
Pr数非常大的油类介质， 它们的热入口段将会 很长，可达管径的数 百倍，以至于对实用的 换热设备来说，可 能直到出口也没达 到热充分发展状态（但 速度分布早已 达到充分发展状态了）。
◆紊流时的热进口段长度与Pr基本无关，较层流短 得多，为管径的10~45倍
)r R
(
t r
)r R
tw t f
const
q hx (tw t f )
常物性流体在热充分发展段 的表面传热系数保持不变
这个结论不 受流态和管 壁加热条件
限制
CCE
第6章 单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
Lh以后称为热充分发展段(Thermal fully developed region)
入口段 充分发展段
热进口段
入口段 充分发展段
0
CCE BEFE
(a)
0
(b)
管内热边界层和表面传热系数的变化 （a）层流 （b）紊流
一、换热进口段长度
◆常物性流体层流热进口段长度
tw=const
Lh 0.05Re Pr d
传热学第六章
流动全部为紊流
局部传热系数关联式 Nuxm 0.0296Rex4m/5Prm1/3
平均传热系数关联式 Num 0.037Rem4/5Prm1/3
Rex=0≥108 0.6 Prm 60
混合边界层
h
1 l
xc
0
hcx
dx
1
l
xc
hcx
2 dx
Rem
u d o
层流 Rem 1.4 105
层流、紊流的转变
特征速度 来流速度 u∞ 特征尺寸 管外径 d0
Rem＞1.4 105
定性温度 热边界层的平均温度 tm=1/2(t∞+tw)
1.流动的特征
圆柱前半部，沿流动方向流体处于加速减压状态，沿流向压 力逐渐减小。圆柱后半部，沿流向压力逐渐增加。最大粘滞 摩擦力处于圆柱表面处，因而圆柱表面附近的流体受到的阻 力最大。
小结：利用关联式获取表面换热系数的关键步骤
1，熟悉对象：如流过平板、圆柱、球或管束； 2，确定特征温度，查表获取特征温度下流体的热物理参数； 3，确定特征长度，计算Re数； 4，确定要获取局部、还是平均表面换热系数； 5，选择合适的关联式计算无量纲表面换热系数，即Nu数； 6，计算换热系数。
2017/10/23
第六章 单相对流换热的实验关联式
Convection Heat Transfer
§6-1 管内强制对流传热
6.1.1管内强制对流流动和换热的特征
入口段 充分发展段
1. 层流和湍流判别
层流： Re 2300 过渡区： 2300 Re 10000 旺盛湍流： Re 10000
Nu f
传热学-第六章xin
单相流体对流换热
第六章 第六章
1
§6-1 管内受迫对流换热
一. 管内强制对流流动和换热的特征
1. 流动有层流和紊流之分 层流： 过渡区：
Re 2300
2300 Re 10000
旺盛湍流：
10000 Re
第六章 2
2.流动进口段与充分发展段
（1）进口段：流动和热边界层从零开始增长，直到汇合于 管子中心线，管子进口至边界层汇合处的这段区域。 充分发展段：边界层汇合于管子中心线以后
（2）脱体点：壁面流体停止向前流动，自此以后边界层 出现逆向流动，形成漩涡。 Re＜10，无分离脱体现象； 5 ≤ Re＜2×105，φ =80-85°； 2×105≤Re，φ =140°；
第六章 31
（ 3 ）边界层的成长和脱 体决了外掠圆管换热的 特征。 层流：下面两条线 ，一次 低谷，换热差； 紊流：上面四条线 ，两次 低谷，分别为层流转变 为紊流和紊流边界层脱 离壁面时。
对气体被加热时，
Tf ct Tw
0.5
当气体被冷却时，
ct 1。
m
对液体
f ct w
m 0.11 m 0.25
液体受热时 液体被冷却时
19
第六章
（2）采用齐德－泰特公式：
Nuf 0.027 Ref
0.8
Prf
0
第六章
6
( t / r ) r r0 t w tm
hx
常数（不随x变化）
对于常物性流体，由上式可得 hx 常数。这一结论对于管内层 流和紊流、等壁温和常热流边界条件都适用。
第6章单相流体对流换热
2）管内流体平均温度
管断面流体平均温度 全管长流体平均温度
定性温度
①管断面流体平均温度（按焓值计算） ② 全管长流体平均温度（由热平衡关系计算）
传热学 Heat Transfer
不同边界条件下全管长流体平均温度 （常热流边界和常壁温边界）
q=const时，dtf/dx=const
从入口开始，tf呈线性变化，全管长平均温度为进出口
一、 外掠单管
横掠单管：流体沿着 垂直于管子轴线的方 向流过管子表面。流 动具有边界层特征， 还会发生绕流脱体。
传热学 Heat Transfer
1 、 流动边界层的形成与发展
①流体的压强大约在管的前半部递降，即dp/dx<0,而
后又回升，即dp/dx>0
②边界层内流体的动能变化与压强的变化相对应； ③脱体绕流产生 衡量脱体绕流的程度：速度 衡量脱体绕流的准则数：Re
传热学 Heat Transfer
第六章
单相流体对流换热
传热学 Heat Transfer
本章教学内容
6-1 管内受迫对流换热 6-2 外掠圆管对流换热 6-3 自然对流换热
传热学 Heat Transfer
§6-1 管内流体受迫对流换热
一、一般分析
受迫在管内对流换热时，应考虑管内流动及换热的 4 个特
是先用定性温度确定物性，再可确定计算式中的准则数。
f 3.15 104 N s m 2 ; Pr 1.95
t w =115℃： w 2.48 10 4 N s m 2
传热学 Heat Transfer
则 Ref um d
f
0.017 0.85 4 4.43 10 6 0.326 10
传热学课件-清华大学 (6)
§6-1 管内受迫对流换热第六章单相流体对流换热及准则关联式学习对流换热的目的：学会解决实际问题；会计算表面传热系数h大多数是由大量的实验研究确定的本章给出的具体函数形式Pr)(Re,Nu f =工程上、日常生活中有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器流动进口段：10[ : Re;05.0 ∈≈dLd L 紊流层流：∂u流动进口段： : Re;05.0 ∈≈dLd L 紊流层流：∂u热充分发展段：常物性流体在热充分发展段：h = const（1）管内流体平均速度3、管内流体平均速度及平均温度∫∫=⋅==RRm urdrrdru f u G 0022πρπρρrdr u df u dG πρρ2⋅=⋅=G —质量流量[kg/s]；V —体积流量[m 3/s]；G=ρV∫∫===Rm R m urdrRu urdr R u G 02022 ;2πρπρt∆(管内对流换热进口段的局部Nusselt数2、流体热物性变化对换热的影响对于液体：主要是粘性随温度而变化流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却加热时的值↓⇒↑η t 对于气体：除了粘性，还有密度和热导率等↑↓↑⇒↑λρη，，t液体：1=C R+—R螺旋管曲率半径4、管壁粗糙度的影响粗糙管：铸造管、冷拔管等湍流：粗糙度∆>层流底层厚度δ时: 换热增强层流：影响不大粗糙度∆<层流底层厚度δ时: 影响不大If water at 300K flowsthrough a 3cm -diameterpipe at 5m/s, the thicknessof the viscous sublayer isonly about 20mµ有时利用粗糙表面强化换热—强化表面（1）迪图斯-玻尔特（Dittus-Boelter ）关联式：⎩⎨⎧<>==)( 3.0)( 4.0 ;Pr Re 023.08.0f w f w m f f f t t t t m Nu 由于没有考虑变物性，只适用于壁面和流体的温差不很大的情况：Petukhov 等人的研究表明：上式只在有限的范围内适用。
管内受迫对流换热PPT课件
t r
r R
h
const
tw t f
4/27
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态） ➢ 换热的主要特点：
换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。
• Pr＝1 相等 • Pr>1 流动入口段 < 热入口段 • Pr<1 流动入口段 > 热入口段长
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态）
➢ 换热的主要特点：
入口段长度 l： 层流： l/d ≈ 0.05RePr (常壁温); l/d ≈ 0.07RePr (常热流);
湍流 ： l/d ≈ 10~45d
入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。
层流底层
紊流层
计算h时， 注意管长 的适用性！
6/27
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
对数平均温差Δtm：
tm
(tw
tf ) (tw ln (tw tf )
(tw tf )
tf )
t t ln t
t
t 全管长流体平均温度： f tw tm
11/27
1.1 一般分析
三、 物性场不均匀性
当流体与管壁之间的温差较大时，管截面上流体温度变化较大； 尤其是黏性随温度的变化，导致管截面上流体速度的与等温流动 不同，进而影响流体与管壁之间的热量传递。
二、 紊流换热修正关联式
1） 不均匀物性--粘度明显变化的情况
希得-塔特关联式：
Nu f
0.027
Re0f.8
Pr1f /3
f w
0.14
2） 不均匀物性—多样物性变化的情况
格尼林斯基关联式：
1 气体：
对流散热
/k6-1.htm
2012-10-4
k6-01
Page 5 of 6Fra bibliotek得：⑴；或
⑵
在流体物性不变的条件下，对于常热流边界条件，由式⑴得
，它表明从入口段开始，流体
断面温度呈线性变化。对于热充分发展段， q 及 h 均为常量，由式⑵得
，说明在常热流
条件下，充分发展段的管壁温度也是呈线性变化的，且变化的速率与流体断面温度的变化速率一致，两线平
/k6-1.htm
2012-10-4
k6-01
Page 3 of 6
却液体时的表面传热系数。这就是不均匀物性场 ( 由冷却或加热引起 ) 的影响。对于气体，情形与液体相 反，它的粘度随温度的增加而增大，所以，由于热流方向不同引起粘度变化对换热的影响恰与液体相反。
如图所示，考虑—块等温竖板周围空气的自然对流运动。设板温高于流体的温度。板附近的流体被加热 因而密度降低 ( 与远处未受影响的流体相比 ) ，向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层。如果竖 板足够高，到一定位置也会从层流发展成为湍流边界层。自然对流湍流时的换热当然也明显强于层流。
自然对流边界层中的速度分布与强迫流动时有原则的区别。壁面上粘滞力造成的无滑移条件依然存在。 同时自然对流的主流是静止的，因此在边界层的某个位置，必定存在—个速度的局部极值。就是说，自 然对流边界层内速度剖面呈单峰形状。
k6-02
㈡实验准则关联式 常壁温无限空间自然对流换热
Page 2 of 4
其中定性温度为：
； C 和 n 值、定型尺寸、适用范围教材有关表。
表中所列无限空间自然对流换热现象如图所示。
注意：⑴对于水平板，浮升力与壁面相垂直。对于向上的热表面或者向下的冷表面，流体均可以在浮力 或下沉力的作用下充分展开，对流换热相对比较强。反之，若热表面向下或者冷表面向上，流体的运动 受到板的阻挡，只能从板的边缘 ( 有限大的板 ) 再向上或向下流动，换热较弱。极限情况下，若热表 面朝下且板无限大，则流体与壁面的换热将基本上属于导热方式。
传热学讲义对流换热——第六章
第六章 单相流体对流换热及准则关联式第一节 管内受迫对流换热本章重点：准确掌握准则方程式的适用条件和定性温度、定型尺寸的确定。
1-1 一般分析),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ=流体受迫在管内对流换热时，还应考虑以下因素的影响：① 进口段与充分发展段，② 平均流速与平均温度，③ 物性场的不均匀性，④ 管子的几何特征。
一、进口段与充分发展段1．流体在管内流动的主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）段和流动充分发展段，如图所示。
（1）从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口段。
（2）进入定型流动的区域称为流动充分发展段。
在流动充分发展段，流体的径向速度分量v 为零，且轴向速度u 不再沿轴向变化，即：0=∂∂xu， 0=v 2．管内的流态（1）如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。
2300Re <用νdu m =Re 判断流态, 式中 m u 为管内流体的截面平均流速， d 为管子的内直径，ν为流体的运动黏度。
（2）如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。
410Re >（3）如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。
410Re 2300<<3．热进口段和热充分发展段当流体温度和管壁温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。
随着流动从层流变为紊流， 热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。
热充分发展段的特征对常物性流体，在常热流和常壁温边界条件下，热充分发展段的特征是：)(1x f t f =及)(2x f t w =与管内任意点的温度),(r x f t =组成的无量纲温度⎪⎪⎭⎫⎝⎛--x f x w w t t t t ,,x ,随管长保持不变，即： 0,,x ,=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂x f x w w t t t t x 式中，t —管内任意点的温度，),(r x f t = ⇒xf x w w t t tt ,,x ,--仅是r 的函数。
管内受迫对流换热
1.2 管内对流换热的实验关联式
一、 紊流换热关联式
• 适用范围
Re>104，旺盛湍流 Pr=0.7160，包括空气、水、油 (l/d)>>10，平均换热系数；如果是短管则需修 正 边界条件：给定温度或给定热流边界均可
气≤50℃
△ t = t w - tf 水≤20℃ 油≤10℃
不适用于液态金属，Pr~10-2
中等温差，非tin - tout
1.2 管内对流换热的实验关联式
二、 紊流换热修正关联式
1） 不均匀物性--粘度明显变化的情况 希得-塔特关联式：
f Nu f 0.027 Re Pr w
0.8 f 1/3 f
0.14
2） 不均匀物性—多样物性变化的情况 格尼林斯基关联式：
入口段长度 l： 层流： l/d ≈ 0.05RePr (常壁温); l/d ≈ 0.07RePr (常热流); 湍流 ： l/d ≈ 10~45d 入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。
层流底层 紊流层
计算h时， 注意管长 的适用性！
6/27
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度 1）流体的平均流速
4/27
高而逐渐减弱
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态）
换热的主要特点：
换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。
• Pr＝1 相等 • Pr>1 流动入口段 < 热入口段
• Pr<1 流动入口段 > 热入口段长
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态） 换热的主要特点：
0.4
,d
0.2
)
对流换热——第六章资料
第六章 单相流体对流换热及准则关联式第一节 管内受迫对流换热本章重点：准确掌握准则方程式的适用条件和定性温度、定型尺寸的确定。
1-1 一般分析),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ=流体受迫在管内对流换热时，还应考虑以下因素的影响：① 进口段与充分发展段，② 平均流速与平均温度，③ 物性场的不均匀性，④ 管子的几何特征。
一、进口段与充分发展段1．流体在管内流动的主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）段和流动充分发展段，如图所示。
（1）从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口段。
（2）进入定型流动的区域称为流动充分发展段。
在流动充分发展段，流体的径向速度分量v 为零，且轴向速度u 不再沿轴向变化，即：0=∂∂xu， 0=v 2．管内的流态（1）如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。
2300Re <用νdu m =Re 判断流态, 式中 m u 为管内流体的截面平均流速， d 为管子的内直径，ν 为流体的运动黏度。
（2）如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。
410Re >（3）如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。
410Re 2300<<3．热进口段和热充分发展段当流体温度和管壁温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。
随着流动从层流变为紊流， 热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。
热充分发展段的特征对常物性流体，在常热流和常壁温边界条件下，热充分发展段的特征是：)(1x f t f =及)(2x f t w =与管内任意点的温度),(r x f t =组成的无量纲温度⎪⎪⎭⎫⎝⎛--x f x w w t t t t ,,x ,随管长保持不变，即：0,,x ,=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂x f x w w t t t t x 式中，t —管内任意点的温度，),(r x f t = ⇒xf x w w t t tt ,,x ,--仅是r 的函数。
第六章单相流体对流换热及准则关联式_传热学汇总
例题 5-1 在一冷凝器中，冷却水以 1m/s 的流速流过内径为 10mm 、长 度为 3m 的铜管，冷却水的进 、出口温度分别为 15℃和65℃，试计算管内的表面传热系数。 解： 由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。冷 却水的平均温度为
定性温度为流体平均温度tf ，管内径为特征长度。
c.米海耶夫公式：
Nuf 0.021 Ref
0.8
Prf
0.43
定性温度为流体平均温度tf ，管内径为特征长度。 实验验证范围：
Prf Prw
0.25
l / d 50, Re f 104 ~ 1.75106 , Prf 0.6 ~ 700
流动充分发展区段的特征:
u 0, v 0 (u为轴向速度,v为径向速度) x
(2) 换热也存在着两个明显的区段，即热进口（或发展）区 段和热充分发展区段, 且常物性流体在热充分发展段的表面 传热系数保持不变,而入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 热充分发展区段的特征:
t w t h ( t w t f ) 0, const x
' "
t m (t ' t " ) /(ln t ' t " )
(
' " , t 出口端流体与管壁温度 ) t 进口端流体与管壁温度
3、物性场不均匀
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，尤其是流 体黏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。
《传热学》第六章 单相流体对流换热
凹处流动不良， h减小
h增大
h不变
不锈钢椭圆管
椭圆管与同周 长圆管相比较
优点：换热强 缺点：阻力大
椭圆管换热器
第二节 外掠圆管对流换热
一、外掠单管
脱体分离点—— 流体产生与原流动方向 相反的回流时的转折点
分离点与流 速的关系：
——不产生脱体 ——层流，脱体点80°~85 ° ——紊流，脱体点140 °左右
《传热学》
第六章 单相流体对流换热
外掠平板受迫对流对流换热（见第五章）
管内受迫对流换热 建环专业 常见问题 横向外掠单管或管束换热 纵向外掠单管或管束换热（对平板进行修正） 大空间及有限空间自然对流换热
第一节 管内受迫对流换热
由于流体的流动被限制在特定空间，管内流动换热模型与外掠平板 完全不同，且换热情况更为复杂，难以用分析法进行求解，因此必 须在对其特殊性进行分析的基础上，采用实验方法加以研究。
外掠圆管束准则关联式：
定性温度：流体在管束中的平均温度 定性速度：管束中的最大流速
S1 ——相对管间距 S2
定型尺寸：管外径
z
——管排修正系数
常数C、m、n和p查教材表6－2，ε
z
查教材表6－3。
ε z随管排数增大而增大的原因：前排扰动加强了后排的换热
第三节 自然对流换热
自然对流 换热 无限空间 ——墙壁、管道，散热器与室内空气的换热 有限空间 ——双层窗、太阳能集热器
二、管内受迫对流换热计算 管内对流换热能量守恒关系式：
1. 紊流换热
迪图斯－贝尔特公式：
定性温度：全管长流体平均温度tf
定型尺寸：管内径
迪图斯－贝尔特公式适用范围：流体和壁面温度差不很大，
西得和塔特公式：
第6章 单相流体对流换热及准则关联式
根据质量守恒，掠过前半部时，
由于流动截面积逐渐缩小，流速
将逐渐增大，而到管子后半部，
由于流动截面逐渐增大，流速将 逐渐降低，大约以 = 90为界。
2013-7-9 15
3、横掠管束：
换热设备中管束的排列方式很多，比较普遍的 是顺排与叉排二种。
2013-7-9
16
流体掠过管束时，流动受到各排管子的连续干扰。来流 稳定，流经第一排后就产生扰动，以后又流过第二排、第三 排、扰动不断加强。叉排排列时更甚。在经过一定排数之后， 不管来流情况如何，流动都是很强烈的涡流 —— 达到管束 特有的稳定状态。
流动 起因 几何
形状 平壁： 自 由 流 动 换 热 竖壁 水平壁
流动 状态
层流 紊流 层流 紊流
准则方程式
Num C (Gr Pr)m
― P.165
式(6－16)
n
园管 (水平放 置)
式中：C、n值， 查P.166表6-5 (Gr.Pr)
29
2013-7-9
对 流 换 热 类 型 的 分 类 及 其 准 则 方 程 2013-7-9 式
4r 2 4f 2r d de 2r U
9
r1 r2
(5) 圆形管道：
d
2013-7-9
《注意》
把当量直径de作为定型尺寸，用同一公式进 行计算，并不是说明这二个现象相似。因为非 圆管与圆管，首先几何条件就不相似，而物理 现象的相似首先要满足几何相似的条件。
由于不是理论分析解而是实验解(经验公式)， 所以有误差。有误差存在，就有可能使二组不 相似现象的实验点落在同一个误差带范围内， 用同一个方程式来描写。 对于不同几何形状的物体能整理成一个经验 公式的话，说明几何形状的影响不大。
管内流动时的对流换热n
对流换热物理机制
总结词
对流换热的物理机制主要包括流体流动产生的切向应力、温度梯度引起的热传导以及流 体与壁面之间的相互作用。
详细描述
流体流动产生的切向应力是导致对流换热的主要因素之一，它使流体与壁面产生相对运 动，从而将热量从壁面传递给流体；温度梯度引起的热传导也是对流换热的重要机制之 一，它使热量在流体内部传递；流体与壁面之间的相互作用包括粘性力、表面张力等，
04
管内流动对流换热强化技术
流体动力学方法
流体动力学方法主要通过改变流体的流动状态来 强化对流换热。具体包括
改变流体的流动方式，如采用各种流道形状或流 动控制装置；
增加流体的湍流度，如使用各种湍流促进器或扰 流装置；
引入振动或脉冲，如使用振动管或脉冲发生器。 这些方法能够提高流体的流动速度和湍流度，增 加流体与管壁的接触面积和碰撞频率，从而增强 对流换热效果。
详细描述
当流体在管道或其他容器内流动时，由于流体的温度与壁面 的温度不同，流体会从高温侧向低温侧传递热量，同时壁面 也会向流体传递热量，这种热量传递过程称为对流换热。
对流换热分类
总结词
根据流动状态和流体物性，对流换热可以分为层流换热、湍流换热、凝结换热、沸腾换热等。
详细描述
层流换热是指流体在层流状态下进行的对流换热过程，湍流换热是指流体在湍流状态下进行的对流换热过程；凝 结换热是指水蒸气在冷壁上凝结时释放的潜热传递给壁面的过程；沸腾换热是指液体在沸腾状态下汽化时吸收的 热量传递给壁面的过程。
这些力会对流体的流动和传热产生影响。
02
管内流动对流换热原理
牛顿冷却定律
01
02
03
牛顿冷却定律
物体表面与流体的温差与 物体表面与流体间的传热 速率成正比。
热力学06-第六章
第六章单相流体对流换热主要内容：1. 管内受迫对流换热2. 横向外掠单管或管束的对流换热3. 大空间及有限空间的自然对流换热每种对流换热的特点及特征数关联式。
12第一节管内受迫对流换热一、管内受迫对流换热的特点1. 流态对于工业和日常生活中常用的光滑管道，m 2300u d Re ν=≤层流u m 为截面平均流速，层流到紊流的过渡阶段4230010Re <<410Re >旺盛紊流m cV q u A =q V 为体积流量，m 3/s ；A c 为截面面积，m 2。
32.流动进口段与充分发展段管内等温层流流动充分发展段具有以下特征：(1)沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零；(2) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；2m 0()21u r r u r ⎡⎤⎛⎞⎢⎥=−⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦0m()2u r u =4(3) 沿流动方向的压力梯度不变，摩擦系数f 为常数：l —管长；d —管内径。
64f Re =2m 2l u p f d ρΔ=⋅⋅管流压降：层流进口段的长度：/0.05l d Re≈充分发展的紊流的速度分布：层流紊流紊流入口段的长度：10 ≤( l /d ) ≤606Re 3000510≤≤×⎦局部表面传热系数的变化x流换热逐渐减弱。
78对于等壁温条件下的管内层流换热，热进口段长度为0.05t l RePr d ≈0.05l Re d≈对比流动进口段长度：热进口段长度：由于进口段的局部表面传热系数较大，所以对于短管内的对流换热，需要考虑进口段的影响。
考虑方法是先按充分发展段计算Nu ，然后再乘以修正系数当Pr=1时，热进口段长度与流动进口段长度相等。
对于常热流条件下的管内层流换热，热进口段长度为0.07t l RePr d≈94.对流换热过程中管壁及管内流体温度的变化对于常物性流体，截面平均温度为c c m 20m (,)(,)2(,)p R A p A c u x r t x r dAt turdrR u c u x r dA ρρ⋅==∫∫∫管内对流换热计算的牛顿冷却公式：[]w m ()()x x x xq h t x t x h t =⋅−=⋅Δw f m()ΦA h t t A h t =⋅⋅−=⋅⋅Δ平均：局部：一般情况下，在管内对流换热过程中，管壁温度和流体温度都沿流动方向发生变化，变化规律与边界条件有关。
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（1） （2） 式（1）中的h是未知量，而式（2）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2）中 的 为固体导热系数而此式为流体导热系数 。
h ty
y
t
0
(
t ) h(t w t f ) h
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2. 热边界层与换热特征分析 (5)入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 因此，注意在选择准则方程计算时要注意该方程适用的 管长条件。
层流
湍流
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3、对流换热边界层微分方程组是否适用于 粘性很大的油和Pr数很小的液体金属？为 什么？
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解：对于粘度很大的油类，Re数很低，速度边界 u 层厚度与x为同一数量级，因而动量微分方程中 x 与 u 为同一量级，不可忽略，且此时由于δx~x y 速度u和v为同一量级，y方向的动量微分方程不能 忽略。 对于液态金属，Pr很小，速度边界层厚度与温度边 界层厚度相比，速度边界层厚度远远小于温度边界 t 厚度，在边界层内 t t ，因而能量方程中 x 不 x y 可忽略。 因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大 的油和Pr数很小的液态金属。
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0 2、由对流换热微分方程 知，该式 ty 中没有出现流速，有人因此得出结论：表 面传热系数h与流体速度场无关。试判断这 种说法的正确性? h
y
t
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tw t x tw t f
0
将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有：
tw t t t r w f
t r R tr w t f
r R
由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次 温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶 定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上 式变为： t t t r r R h Const w tw t f r tw t f
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这种说法不正确，因为在描述流动的能量 微分方程中，对流项含有流体速度，即要 获得流体的温度场，必须先获得其速度场 ，“流动与换热密不可分”。因此表面传 热系数必与流体速度场有关。
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1、式（1）与导热问题的第三类边界条件 式（2）有什么区别？ t t （ 1 ） ( ) h(t t ) （2） h 0 h
ty
y
w
f
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建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !
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建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !
§6 单相对流换热
Chapter6 The Heat Transfer of Single-phase Convection
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（二）管流平均温度换热平均温差 1.特征速度及定性温度
特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。
2 2
2 2
2
2
2
2
2
2
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§6-1 管内受迫对流换热
学习对流换热的目的：
会计算表面传热系数 h, 解决工程实际问题。
各类热力管道（热 水及蒸汽管道等）、 换热器……
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一、定性分析（基本概念）
r R
上式表明：常物性流体在热充分发展段换热系数h保持不变。 这是热充分发展段的重要特性。
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2. 热边界层与换热特征分析 流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于Pr。 (1)当 Pr＞1时，流动进口段比热进口段短。 (2)当 Pr＜l 时，情形正相反。 (3)热进口段长度 L（ 紊流：L/d ≈ 10-45 ）： 层流：在常壁温条件下 L/d ≈ 0.05RePr ； 在常热流条件下 L/d ≈ 0.07RePr 。 (4)在Pr＝1情况下，当流动达到充分发展时，换热也进入热 充分发展段。在进口处，边界层最薄，h x具有最高值，随后 降低。在层流情况下，h x趋于不变值的距离较长。在紊流情 况下，当边界层转变为紊流后，h x将有一些回升，并迅速趋 于不变值。
1.进口段与充分发展段 1>.流动进口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此 时： u=f（x,r） 流动充分发展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发 展。此时： r=0； u/x=0，但 u/y≠0。
充分发展段的流态判断：
Heat Transfer
2>.对于换热状态 热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后， 热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。 热充分发展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分 发展，故称为～。 热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随x 是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf）将 保持不变，即：