第9章 单相对流换热

层流时，热入口段长度可以通过分析解直接得到
xent,l / d 0.05 RePr
湍流时热入口段长度与Pr 无关，且换热入口段长度与流 动入口段基本相同 。 管内对流换热和阻力计算的基本关系式 = qm c ( tfo tfi ) = hA tm
●
p f
2 L um
d
2
64 f Re
f 0.316 Re1 / 4
f 0.184 Re
1/5
2
21
f 0.790ln Re 1.64
9.5.2 管内对流换热的计算关联式
层流圆管管内充分发展段的换热关联式 Nuf = 4.36， qw = 常数 Nuf = 3.66， tw = 常数 速度充分发展的恒壁温层流换热入口段：爱德华兹 （Edwards. D K）计算式
第
单相对流换热
9.1 对流换热的物理机制
9.2 边界层理论简介 9.3 沿平壁的对流换热计算 9.4 绕流圆柱体的对流换热计算 9.5 管内对流换热计算 9.6 自然对流换热计算 9.7 对流换热的强化
9
章
1
9.1 对流换热的物理机制
对流换热的物理机制比导热复杂很多，原因是对流换热中热 对流和热传导两种换热方式同时发生，流体的速度和方向等 很多项物性参数都对换热的强弱具有重要影响。 对流换热的强弱用表面传热系数来表示
n10
17
9.5 管内对流换热计算
9.5.1 管内流动和换热的基本概念
管内速度分布： 截面速度分布，速度剖面 ，流动入口段，充分发展段 管内流动状态：
Re
um d

18
管流的临界雷诺数，记作Rec 。 层流的速度剖面是一个二次抛物线，而湍流速度剖面一 般可以近似表示为1/7次幂抛物线 qV 1 2 r0 um u ( r , x) dA 2 u ( r , x) r dr Ac Ac r0 0 Ac
层流和湍流流动入口段长度
xent, l / d 0.05 Re
xent,t / d 0.623Re0.25
●
管截面平均温度
tm

Ac
c u (r , x) t (r , x) dA

Ac
c u (r , x) dA
2 2 r0 um

r0 0
t u r dr
19
称为整体温度 或 杯混温度

2


g qw x 4
2
0.037 ReL 4 / 5 Pr1/ 3
0.6 < Pr < 60
0.6 < Pr < 60
11

实际上，前面先是层流，达到临界雷诺数以后才转变成湍 流：分段积分
L 1 xc h hl dx ht dx 0 x c L
Nu L hL / (0.037ReL
6
当流体与壁面之间存在温差时， 温度的变化也主要发生在紧贴壁 面的一个薄层内，其中的温度梯 度非常大： 热边界层。 在壁面上，有ty =0 = tw 流体过余温度比 (tw－t ) / (tw－tf ) = 0.99 所对应的离壁 距离为热边界层厚度，记作t 。 根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域： 温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热 边界层以外的近似等温流动区。 结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传 递规律就够了。 边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。 支配方程组得到了很大简化。
0.5 < Pr < 2 000, 104 < Ref < 5106
0.14
23
物性修正和弯管修正 非圆截面管道，如椭圆管、环形夹层和不同长宽比的矩 形截面管道：当量直径 4 Ac de P 层流时当量直径的概念不能统一全部关联式 对雷诺数介于2 300 ~ 10 000之间的过渡流，推荐采用格尼林 斯基（V. Gnielinski）针对光滑管的计算式
qx hx tw tf x
表面传热系数的物理实质 。 紧贴壁面的流体是静止不动的，这被称为无滑移条件。于是 热量传递在通过这一层“静止”的流体时只能依靠导热机理
t qx y y 0, x
qx hx tw tf x
Δtx y y0 , x
16
针对气体的格雷米森（E. D. Grimison）计算关联式
m Nu d CRed ,max
常数C、m 的值见表9 - 2。 排修正系数n，其值见表9 – 3。
2 000 < Red,max < 40 000, Pr = 0.7, 排数 n ≥ 10
Nud
n10
n Nud
[Ref Pr (d / L)]1/3 (f / w )0.14 2
22
湍流的迪图斯-波尔特（Dittus-Boelter）公式
Nuf 0.023Ref0.8 Prfn
0.7≤Prf ≤160, Ref ≥104 湍流西德-泰特（Sieder & Tate）关联式适用于更大物性变 化范围
hx

L Y
Y 0, x
Nux Y hx x
Y 0, x
局部努塞尔数Nux ,流体在壁面上的无量纲温度梯度。
10
在恒壁温条件下，层流和湍流的局部努塞尔数分别等于
Nu x 0.332Re
1/ 2 x
Pr1 / 3
Rex < 5×105，0.6≤Pr≤15
(3) 换热表面的几何参数 特征尺寸，习惯上也称为定型尺寸
(4) 表面的热边界条件 层流状态对边界条件的变化比较敏感，而湍流时不甚敏感。 两种最典型的热边界条件是恒壁温和恒热流
4
9.2 边界层理论简介
均匀速度u 的流体从平板上方流过，壁面上的流体静止 速度边界层，也称为流动边界层 速度边界层外缘达到主流速度的 99％
Pr Nu d CRe Pr Pr w 0.7 Pr 500, 1 Red 106
m d n
1/ 4
除壁面普朗特数Prw以外，其它所有物性按主流温度取值。 各项常数值见表9–1。
15
管束传热计算 (1)排列方式和管间距 顺排 和 叉排 (2) 前排尾流对后排有影响 排数修正
Nuf 0.027Ref0.8 Prf1 / 3 f w 0.14
0.7≤Prf ≤16 700, Ref ≥104 贝图霍夫（B. S. Petukhov）关联式 还可用于计算粗糙管 的换热
f Nuf 1/ 2 2/3 1.07 12.7 f / 8 Pr 1 w （f /8）Ref Pr
Nu d 0.3
1 0.4 / Pr
0.62 Re Pr
1/ 2 d
1/ 3
Leabharlann Baidu
2 / 3 1/ 4
1 Red 282 000

5/8

4/5
只要求：Red Pr > 0.2 茹卡乌斯卡斯（A. Zhukauskas）计算式
24
9.6 自然对流换热计算
9.6.1 大空间的自然对流换热
自然界和工程技术中存在的自然对流现象 无限大空间的自然对流换热 有限空间的自然对流换热 自然对流与强迫流动的基本区别是：浮升力驱动流体运 动。速度分布由包含有体积力项的动量微分方程和连续 性方程描述 。
9.6 自然对流换热计算
5
把整个流场划分成两个区域： 紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常 大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。 边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几 乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应 力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似被视为无 粘性的理想流体。 层流边界层 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的 缓冲层以及湍流核心三部分组成。
0.0668 Ref Pr (d / L) Nuf 3.66 1 0.04 [ Ref Pr (d / L)]2/ 3
同时包含入口段和部分充分发展段的恒壁温管内层流换热： 西德-泰特（Sieder-Tate）公式 0.14 1/ 3 Ref Pr f Nuf 1.86 L / d w 0.48 < Pr < 16 700, 0.004 4 < (f /w) < 9.75，且
hx
t
2
特定x 位置的局部表面传热系数沿程变化，当对流换热温 差恒定时，表面上的平均表面传热系数与局部值之间具有
1 h hx dAx A A
影响对流换热的主要因素 为 (1) 流动状态和流动的起因 层流、湍流和过渡流 雷诺数，Re u L / ，临界雷诺数
2/3 Prf d 0.87 0.4 Nu f 0.012 ( Ref 280) Prf 1 Pr l w

0.11
1.5< Prf <500, 3 000< Ref <106, 0.05< （Prf / Prw ）< 20
7
Ludwig Prandtl （1875—1953）
8
Osborne Reynolds (1842—1912)
Wilhelm Nusselt （1882 — 1957）
9
9.3 沿平壁的对流换热计算
定义以下的无量纲参数 t tw x y X , Y , , L L tf t w 代入式(9-2)，得到
●管内的热边界层 温度剖面 最终定型的温度分布（温度剖面）与壁面上的加热或冷 却条件（热边界条件）有关
热入口段 与 换热充分发展段 因管壁换热引起的热边界层会从壁面逐步发展，直到在管 中心线汇聚，这一段距离称为 热入口段 无量纲过余温度比(t－tw) / (tm－tw)不再变化，这就是 换热 充分发展段。 不论壁面具有何种热边界条件，在换热充分发展段局部表 20 面传热系数都将保持常数。
Nu x 0.030 8Rex
4/5
Pr1 / 3
0.6 Pr 60
结论：层流对边界条件的变化比较敏感，湍流状态对边界条 件不甚敏感。管内对流换热也同样。
13
9.4 绕流圆柱体的对流换热计算
流体绕流圆柱体时的流场
绕流圆柱体尾部流场的可视化
14
计算管表面平均表面传热系数的邱吉尔－伯恩斯坦关联式
0.6 Pr 60
0.8
871) Pr1 / 3
5×105 < Re ≤108
恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞尔数计算 关联式
Nu x 0.453Re
1/ 2 x
Pr1 / 3
NuL 0.680ReL1/ 2 Pr1/3
12
湍流恒热流条件下，局部努塞尔数只比恒壁温时 大约高4％
9.6.1 大空间的自然对流换热
25
边界层内的速度分布呈单峰形状，温 度分布仍与强迫流动时近似 Nu = f ( Gr, Pr ) = C ( Gr Pr ) n Gr（Grashof number）称 格拉晓夫数
Grx
gV tw t x3
2
Grx Grx Nux g Δt x3 hx
3
(2) 流体的热物理性质 密度和比热容 导热系数 粘度 流体的物性全部都是温度的函数 定性温度，或称 参考温度 边界层的平均温度 tm = ( tw + tf ) / 2，也称为 边界层膜温度 对流换热计算中存在一项特别的无量纲物性特征数，称为普 朗特数，Pr /a。它表示流体扩散动量的能力与扩散热量 能力的相对大小。
Nux 0.029 6Rex 4/5 Pr1/3
5×105 < Rex <107，0.6 < Pr < 60
• 特别注意平均Nu与局部Nux 之间的关系！ • 遵守关联式适用范围规定：自变量，定性温度，特征 尺寸， 适用何种边界条件等
NuL
NuL
hL

hL
0.664 ReL1/ 2 Pr1/ 3