管内受迫对流流动和换热的特征
传热学-6 单相流体对流传热特征数关联式
柱的外径 d
（3）体胀系数：理想气体
V
1 T
其它流体（查物性参数表）
6-3 自然对流传热
注意：
（1）竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以
下情况：
d H
35 GrH1 4
（2）对竖平板、竖圆柱和横圆柱对应的 c和 n 查P155表6-6
6-3 自然对流传热
② 均匀热流 Nu B(Gr Pr)m
液体被加热
ct
f
w
0.11
温度修正系数：
液体被冷却
ct
f
w
0.25
气体被加热
ct
Tf Tw
0.55
气体被冷却 ct 1
6-1 管内强迫对流传热
管长的影响：l / d 60 时，入口段影响可以忽 略，l / d 60 时，使用 cl 修正。
弯管的修正：
对于气体
cR
11.77
适用范围： Re f 104 ~ 1.2105, Prf 0.7 ~ 120
定性温度 : t f tf tf 2 为流体的进出口平均温度；
特征尺度: 管子内径d, 非圆管为当量直径de；
流体速度：平均温度下流动截面的平均速度υf 。
4A de P
6-1 管内强迫对流传热
换热时管内速度分布的畸变： 1-等温流； 2-冷却液体或加热气体； 3-加热液体或冷却气体
第六章 单相流体对流传热特征数关联式
1 、重点内容： ① 管内受迫对流换热 ② 纵掠平壁、外掠单管和管束的对流换热 ③ 大空间自然对流换热
2 、掌握内容：各对流换热实验关联式及适用 条件。
6-1 管内强迫对流传热
应用背景:
暖气管道 各类热水及蒸汽管道 换热器
第六章 单相流体对流换热
2
2.流动充分发展段层流和湍流的判断 • 层流： Re 2300 • • 过渡区：
2300 Re 10000
旺盛湍流： 10000 Re
3
3. 热入口段和充分发展段的判断（表面传热系数的变化）
（定壁温）充分发展段为层流或湍流的热入口段长度:
l / d 0.05 Re Pr
l / d 60
6 2
Pr f 3.54, , f 64.8 102 W /( m C ); 以t w 90C 查 w 314.9 106 kg /( m s )
Re f uf d 2 0.12 4 43.1655 10 6 0.556 10
M=0.0417kg/s,管长2.6m,空气进口温度
tf ’=30,管壁温度保持tw=250，试计算该换 热器的表面传热系数。（讨论）
32
第二节 流体横向绕流管束的换热
一、流体横向绕流单管（或柱）时的对 流换热计算
二、流体横向绕流管束的对流换热计算
33
一、流体横向绕流单管（或柱）流动时 的对流换热计算
24
Nu f
由管内流体的能量平衡可得
hA(tw t f ) qmc pf (t f tf )
1 2 h dL( t w t f ) d f u f c pf (t f tf ) 4
8596 20 10 3 (40
23
水被加热，取 m 0.4
Nu f 0.023 Re Pr
0.8 f
0.4 f 4 0.8 0.4
0.023 (4.97 10 ) (0.702)
h
287
f
传热学-6 单相流体对流传热特征数关联式
有限空间自由流动换热：空间小，自由流动还受空 间的形状、尺寸的影响。
6-3 自然对流传热
竖板（竖管） 水平管 水平板 竖直夹层 横圆管内侧
流体与固体壁面之间的自然对流换热过程
（3）入口段，入口段热边界层厚度薄，局部表面传 热系数大。 入口段长度 x： x/d ≈ 0.05RePr （层流） x/d ≈ 60 （湍流）
6-1 管内强迫对流传热
（4） 管内流动的换热边界条件有两种： 恒壁温 tw＝const 和恒热流 qw＝const。
湍流：除液态金属外，两种边界条件的差别可忽略。 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。
柱的外径 d
（3）体胀系数：理想气体
V
1 T
其它流体（查物性参数表）
6-3 自然对流传热
注意：
（1）竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以
下情况：
d H
35 GrH1 4
（2）对竖平板、竖圆柱和横圆柱对应的 c和 n 查P155表6-6
6-3 自然对流传热
② 均匀热流 Nu B(Gr Pr)m
Re f Prf
d l
10
6-1 管内强迫对流传热
此经验公式误差较大，因为它没有考虑自由流 动换热的影响，对于流速低、温差大、管径粗的情 况是很难维持纯粹的受迫层流流动。此时自由流动 的影响不能忽略，必须加以修正。
6-1 管内强迫对流传热
四 过渡区（ 2200 <Re < 104）强迫对流传热 准则方程式：
（5）自然对流的准则方程式：Nu＝f (Gr, Pr)；
对流换热的四个特点
对流换热的四个特点
1.流动与温度梯度关联：
对流换热的发生依赖于流体的宏观运动，即流体质点在温差作用下由于密度差异导致的自然流动（自然对流）或外力（如风扇、泵等）引起的强制流动（受迫对流）。
流动过程中，高温区域的流体流向低温区域，将热量带走。
2.直接接触传递：
对流换热要求流体与固体表面有直接接触，热量通过流体分子与固体壁面之间的碰撞以及流体内部各部分之间的混合来进行传递。
3.导热与对流同时存在：
在对流换热过程中，不仅发生流体内部的微观粒子热运动（导热），还伴随有宏观的流体流动导致的热量转移。
因此，对流换热是导热和对流两种机制的结合。
4.温差驱动：
对流换热必须存在温度差，无论是固体表面与流体间的温差还是流体内部不同部位的温差，都是推动对流换热过程进行的动力源泉。
传热学第五章_对流换热原理-6
2－2）管内流体平均温度
t f
c p tudf
f
c pudf
2 R 2um
R
turdr
0
f
其中，tf为根据焓值计算的截断面平均温度。
由热平衡方程
dQ hx (tw t f )x * 2R * dx cpumR2dt f
和
dQ q * 2R * dx
可得
dt f 2q 2hx (tw t f ) x
t
( tw t r tw t f
)rR
( r )rR tw t f
const
而同时又有
q
(
t r
)
r
R
h(t w
tf
)
于是，得
(
t r
)
r
R
h
const
tw t f
上式又表明，常物性流体在热充分发展段的一个特点是 换热系数保持不变。
另外，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。
若 Pr<1, 则意味着流动进口段长于热进口段； 1－3）管内流动充分发展段的流态判断
Re 2300 2300 Re 10 4 Re 10 4
层流 过渡流 旺盛湍流
2）管内流体平均速度与平均温度
2－1）管内流体运动平均速度
um
f udf 0f
2
R 2
R rudr V
0
f
其中，V－体积流量；f－管的截断面积；u－局部流速
dx c pum R
c pum R
积分上式可得全管长流体的平均温度。
由于热边界存在有均匀壁温和均匀热流两种典型情
管内强迫对流换热特点(精)
马 强
承德石油高专热工系
传热学 Heat Transfer
Chengde Petroleum College
一、管内对流换热的特点
（1）流态
对于工业和日常生活中常用的光滑管道
Re
2300 Re 104
um d
2300
层流 层流到紊流的过渡阶段 旺盛紊流
Re 104
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
Chengde Petroleum College
（2）流动进口段与充分发展段
充分发展的湍流的速度分布：
1
层流
湍流
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
Chengde Petroleum College
（3）换热特点
d cl 1 l
0.7
对于管内层流换热，只要 l/d > 60，就可忽略进口段的影 响。对于管内湍流换热，一些文献认为只要 l/d > 10，就可忽略 进口段的影响。
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
Chengde Petroleum College
（5） 物性场不均匀对管内对流换热的影响
换热时流体温度场不均匀，会引起物性场的不均匀。 其中粘度随温度的变化最大。粘度场的不均匀会影响速度场， 因此影响对流换热。
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
Chengde Petroleum影响 管道弯曲，离心力的作用会在流体内产生二次环流，增 加了扰动，使对流换热得到强化。弯管的曲率半径越小，流 速越大，二次环流的影响越大。 在计算弯管内的对流换热时，应在直管基础上加乘弯管 修正因子 R 。 气体：
2023年公用设备工程师之专业基础知识(暖通空调+动力)综合检测试卷A卷含答案
2023年公用设备工程师之专业基础知识（暖通空调+动力）综合检测试卷A卷含答案单选题（共200题）1、下列关于过失误差的叙述中，错误的是( )。
A.过失误差就是“粗大误差”B.大多数由于测量者粗心大意造成的C.其数值往往大大的超过同样测量条件下的系统误差和随机误差D.可以用最小二乘法消除过失误差的影响【答案】 D2、下列哪项是流动相似不必满足的条件？（）A.几何相似B.必须是同一种流体介质C.动力相似D.初始条件和边界条件相似【答案】 B3、介质的被测温度范围0～600℃，还原性工作气氛，可选用的热电偶为（）。
A.S型热电偶B.B型热电偶C.K型热电偶D.J型热电偶【答案】 D4、常物性无内热源一维非稳态导热过程第三类边界条件下微分得到离散方程，进行计算时要达到收敛需满足( )。
A.B.Fo≤1C.D.【答案】 C5、一套管式水—水换热器，冷水的进口温度为25℃，热水进口温度为70℃，热水出口温度为55℃。
若冷水的流量远远大于热水的流量，则与该换热器的对数平均温差最接近的数据为( )℃。
A.15B.25C.35D.45【答案】 C6、在圆管流中，紊流的断面流速分布符合（）。
A.均匀规律B.直线变化规律C.抛物线规律D.对数曲线规律【答案】 D7、采用串联超前校正时，通常町使校正后系统的截止频率ω( )。
A.减小B.不变C.增大D.可能增大，也可能减小【答案】 C8、状态参数用来描述热力系统状态特性，此热力系统应满足( )。
A.系统内部处于热平衡和力平衡B.系统与外界处于热平衡C.系统与外界处于力平衡D.不需要任何条件【答案】 A9、有80件某种零件，经t时间后，失效6件，其余仍能正常地工作，则此零件的可靠度R为( )。
A.0.075B.0.75C.0.925D.0.25【答案】 C10、太阳能集热器或太阳灶的表面常做成黑颜色的主要原因是（）。
A.黑色表面的辐射率较大，ε≈1B.太阳能中的最大辐射率处于可见光波长范围C.黑色表面可以最大极限吸收红外线辐射能D.黑色表面有利于辐射换热【答案】 D11、某分度号为K的热电偶测温回路，其热电势E（t，t0）=17.513mV，参考端温度t0=25℃，则测量端温度t为（）。
传热学第五章对流换热
§5-1 §5-2 §5-3 §5-4 §5-5 §5-6 §5-7 §5-8
对流换热
Convective heat transfer
对流换热概说 对流换热的数学描写 对流换热边界层微分方程组 对流换热边界层积分方程组 相似理论与量纲分析 管内受迫流动 横向外掠圆管的对流换热 自然对流换热及实验关联式
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA） 连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒） 动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒） 能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组 先作假设： （1）仅考虑二维问题； （2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动； （3）常物性，无内热源； （4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。 以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定 律，对于这样一个开口系统，有：
同理：（） dτ qm hout − qm hin ≈ ρcp (
y
H y + dy − H y =
∂t ∂v ⋅ v + ⋅ t )dxdydτ ∂y ∂y
（qm h)out − (qm h)in ∴ ∂t ∂t ∂u ∂v = ρ c p (u + v )dxdy + ρ c p t ( + )dxdy ∂x ∂y ∂x ∂y ∂t ∂t = ρ c p (u + v )dxdy (d ) ∂x ∂y
1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的概念。
各种对流换热过程的特征及其计算公式
多取截面平均流速。
定性温度：计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
1 ' " t f (t f t f ) 2
1。管内层流换热关联式
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：
Re f Pr f Nu f 1.86 l/d
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化
潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的
过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并 能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式， 称膜状凝结。
du y 时， dy
0, t t s
求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度： t m 2
注意：r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
对流换热那样朝同一方向流动。
一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层 之内。在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁面
的方向上逐步降低至周围环境温度。
定义： 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。 工程应用： 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热 产生原因： 不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运 动的动力。
工程热力学与传热学_第十六章_各种对流换热过程的特征及其计算公式
对流换热那样朝同一方向流动。
一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层 之内。在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁面
的方向上逐步降低至周围环境温度。
定义： 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。 工程应用： 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热 产生原因： 不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运 动的动力。
多取截面平均流速。
定性温度：计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
1 ' " t f (t f t f ) 2
1。管内层流换热关联式
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：
Re f Pr f Nu f 1.86 l/d
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化
潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的
过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并 能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式， 称膜状凝结。
特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的
相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷
tw ts
却壁面上， 此时液膜成为主要的换热
热阻
g
(2)珠状凝结
定义：凝结液体不能很好地湿润壁 面，凝结液体在壁面上形成一个个 小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
g
tw ts
特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即 可传到冷却壁面上。
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。
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。
工程热力学与传热学 第十六章 各种对流换热过程的特征及其计算公式
f w
0.14
定性温度为流体平均温度 t f （ w 按 壁温 t w 确定），管内径为特征长度，管 子处于均匀壁温。 实验验证范围为： Pr f 0.48 ~ 16700,
f 0.0044 ~ 9.75， w
Re f Pr f f l / d w
下脚标 l 表示液相
考虑假定（3）液膜的惯性力忽略
u u l (u v ) 0 x y
考虑假定（7）忽略蒸汽密度
dp 0 dx
u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
1 t m (t f t w ) 2
定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L
二、流体在管道内换热
入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高，且沿 着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋 于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设 备的换热。
管内受迫对流换热实验关联式 管内受迫对流流动和换热的特征
第十六章 各种对流换热过程的特征及其计算公式
本章要点： 1。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算 2。着重掌握凝结、沸腾换热的基本概念及影响因素 本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算 凝结、沸腾换热的分析解 本章主要内容：
第一节 受迫对流换热
第二节 自然对流换热
第三节 蒸汽凝结换热 第四节 液体沸腾换热
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化
潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的
流体在管内受迫对流换热
§4-3 流体在管内受迫对流换热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、换热器图5-17 管内流动局部表面传热系数h的变化(1)层流;(2)湍流x（3）热边界条件——均匀壁温和均匀热流两种湍流：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。
（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↓⇒↑μ t 对于气体：除了粘性，还有密度和热导率等↑↓↑⇒↑λρμ，，t计及流体热物性对换热的影响，用热边界层的平均温度t m 作定性温度；引入温度修正系数：n w f n w f n w f T T ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Pr Pr 、、μμ（3）弯管效应离心力二次环流换热增强修正系数：()33.101 R d C R +=液体：()R d C R 77.11+=气体：][];[m d m R 管直径—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Δ>层流底层厚度δ时: 换热增强层流：影响不大粗糙度Δ<层流底层厚度δ时:影响不大有时利用粗糙表面强化换热—强化表面（2）当温度超过以上推荐值时，则可以采用下面任一个公式计算a 给迪图斯-贝尔特关联式加一个修正系数 ct (a) 气体被加热时： (b) 气体被冷却时： (c)⎛ Tf ⎞ ⎟ ct = ⎜ ⎜T ⎟ ⎝ w⎠ ct = 1n0.5⎛ μf ⎞ 液体：ct = ⎜ ⎟ ⎜μ ⎟ ⎝ w⎠⎧n = 0.11 液体被加热时 ⎨ ⎩n = 0.25 液体被冷却时式中 μ f 和μ w 分别是按流体平均温度及壁面温度下的动力粘度b 齐德-泰特（Sieder-Tate）关联式，考虑了物性Nu f = 0.027 Re0. 8 fL ≥ 60 适用的参数范围： Re f ≥ 10 ; 0.7 ≤ Pr f ≤ 16700; d4⎛μf ⎞ Pr ⎜ ⎜μ ⎟ ⎟ ⎝ w⎠1/ 3 f0.14定性温度：进出口截面流体平均温度的算术平均值 tf 特征长度：管内径dPr f ⎞ ⎟ c 米海耶夫关联式，考虑了物性 Nu f = ⎟ Pr w ⎝ ⎠ L 4 6 10 ≤ Re f ≤ 1.75 × 10 ; 0.6 ≤ Pr f ≤ 700; ≥ 50 适用的参数范围： d 0.021 Re 0f.8定性温度：进出口截面流体平均温度的算术平均值 tf 特征长度：管内径d0.43 ⎛ Pr f ⎜ ⎜0.25几点说明： (1) 非圆形截面的槽道，采用当量直径de作为特征尺度 (2) 入口段效应则采用前面介绍的修正系数乘以各关联式 (3) 对于螺旋管中的二次环流的影响，也采用前面的修正 系数乘以各关联式即可 (4) 以上关联式仅适用Pr >0.6的气体和液体.4 管内层流换热关联式(Re < 2300 )层流换热的发展已经比较充分，并总结了如下结论： (1) 层流对流换热中需要考虑热边界条件的影响 (2) 充分发展段的Nu与Re无关 (3) 层流中当量直径仅是一个几何参数，不用它来统一不同截面通道的换 热与阻力计算的表达式工程换热设备中，层流换热常处于入口段范围，此时，推荐 采用下面的齐德－泰特的实验关联式计算平均Nud 1/ 3 ⎛ η f ⎞ ⎟ Nu f = 1.86(Re f Pr f ) ⎜ ⎜ ⎟ l η w ⎝ ⎠适用的参数范围：0.14Re f < 2300; 0.48 < Pr f < 16700;d 1/ 3 ⎛ η f (Re f Pr f ) ⎜ ⎜η l ⎝ w⎞ ⎟ ⎟ ⎠0.14≥2定性温度：流体平均温度 tf 特征长度：管内径d 管子处于均匀壁温微尺度换热简介：空间微尺度，时间微尺度和结构微尺度 1997年，美国创办了国际微尺度热物理工程杂志，标志着 微尺度传热已经成为了一个新的热点作业:pp.121, 23, 26§4.4 外部流动强制对流换热实验关联式外部流动的定义：换热 壁面上的流动边界层与 热边界层能自由发展， 不会受到临近壁面的限 制，例如，流体外掠平 板就是一种 本节以横掠单管和横掠管束为例 1 横掠单管换热实验关联式 (1)横掠单管的定义： (2)特性：除了边界层外，还会产生绕流脱体，从而产生回 流、漩流和涡束(3) 绕流脱体的产生 过程Stagnation pointSeparation pointFavorable pressure gradientAdverse pressure gradient∂P <0 ∂x∂P >0 ∂x(4) 脱体的位置：取决于Re，即：Re < 10时，不产生脱体 10 < Re < 1.5 × 105 时，流动是层流，产生在80～85°C Re > 1.5 × 105 时，流动是湍流，产生在140°C左右(5) 外掠单管的当地对流换 热系数的变化 可见，影响外部流动换热 的因素，除了以前各项 外，还要考虑绕流脱体的 发生位置 (6) 平均表面传热系数，推 荐采用分段幂次关联式：13 Nu m = C Re n m Prm ⎡ t ∞ = 15.5 ~ 982°C ⎤ ⎢ t = 21 ~ 1046°C ⎥ ⎥ Valid for : ⎢ w ⎢ 0.7 < Prm < 500 ⎥ 5 ⎢ ⎣0.4 < Re m < 4 × 10 ⎥ ⎦。
传热学五版第六章
2u 2u u u u p u v X 2 2 x x y x y
稳态流动：
u 0
体积力仅为重力：
X g
2u 根据量纲分析： 0 2 x u u p 2u v g 2 X方向动量方程简化为： u y x y x p 将： u 0 代入上式，得： x g f g y x
定型尺寸：管内径
迪图斯－贝尔特公式：
定性温度：全管长流体平均温度tf
迪图斯－贝尔特公式适用范围：流体和壁面温度差不很大，
l 10, Re f 10 4 , Pr f 0.7 ~ 160 d
西得和塔特公式：Nu f 0.023 Re 0f.8 Pr1 3 ( f w )0.14 f
二、外掠管束 优点：换热强 缺点：阻力大
叉排
两种管束 布置方式
顺排
优点：阻力小 缺点：换热差
Pr f n m 外掠圆管束准则关联式：Nu C Re f Pr f Pr w
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
0.25
u u 2u u x v y g t t f y 2
自然对流层流边界层微分方程组：
t hx t x y w, x u v 0 x y u u 2u u g t t f v x y y 2 t t 2t u v a x y y 2
常热流边界时的定性温度： t f t w
8 27
2
传热的三种基本方式的特点
传热的三种基本方式的特点
传热的三种基本方式的特点如下：
1. 导热：导热是由于物体内部温度差异引起的热量传递。
它可以在固体、液体和气体中发生，因为物质内部的分子或分子的振动方向不同，使得热量从高温部分传至低温部分。
导热只发生在密实的固体中，当物体中有温差时，热量会从温度较高的部分传至温度较低的部分。
2. 对流：对流是由于流体各部分之间的相对运动而引起的热量传递。
它主要发生在流体中，如气体和液体。
当流体被加热或冷却时，流体的密度会发生变化，导致流体的流动。
对流换热可以分为自然对流和受迫对流。
自然对流是由于流体的密度变化而产生的流动，而受迫对流则是由于外部力（如泵或风扇）驱动的流动。
3. 辐射：辐射是物体通过电磁波传递能量的方式。
任何温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量。
辐射换热不需要任何中间介质，可以穿过真空。
辐射换热的特点是伴随能量的形式转化，即物体的热能转化为电磁波的能量。
辐射换热过程中，物体不仅向外辐射热量，同时也吸收周围物体的辐射热。
以上内容仅供参考，如需更全面准确的信息，可以查阅物理书籍或咨询物理专业人士。
管内层流流动与换热
64 Re
3 圆管内充分发展段的换热 物理问题
圆管内充分发展，稳态、层流、不可压缩流体、 常物性、忽略体积力
数学描述
d
du p (r ) r dr dr x
c pu
t t 1 t 2t c p vr [ (r ) 2 ] x r r r r x
数学描述
u u p 1 u 2u u vr [ (r ) 2 ] x r x r r r x
d
r r0 r 0
du p (r ) C r dr dr x
u0 u 0 r
边界条件：
无滑移 轴对称
r r0
4um r0
r02 p um ( ) 8 x
cf
w
1 2 um 2
16 8 16 um r0 um D0 Re
管内沿程阻力系数
8um dp D0 d 2 64 r0 dx f 1 2 1 2 um D0 u m um 2 2
ห้องสมุดไป่ตู้
X 0 1 2 ( 1 R ) R 0 2 R R R R R 1
2
1 0 R 0
t t w const t 0 r
r2 u 2um (1 2 ) r0
x0 t t 1 t 2t c pu c p vr [ (r ) 2 ] r 0 x r r r r x r r0 r 1 x 无量纲参数： t tw R X rw t0 t w Re Pr rw
L
2 圆管内充分发展段的流动
物理问题
圆管内充分发展，稳态、层流、不可压缩流体、 常物性、忽略体积力 ——轴对称(二维，x,r)
管内受迫对流换热
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
20/27
19/27
例题：
例1：一台管壳式蒸汽换热器，管内水的流速为um=0.85m/s， 全管长水的平均温度tf=90℃，管壁面温度tw=115℃，管长为 1.5m，管内径d=17mm，试计算其表面换热系数。
解题思路：
1） 由定性温度，确定物性；
2） 计算Re，判断流态； 3） 选用合适的准则关联式； （流态；温差；管型；粗糙管；螺旋管） 4） 计算Nuf和对流换热系数hf。 重点：确定定性温度：（定热流，还是定壁温？）
二、 平均流速与平均温度
（b）管长方向流体平均温度：
dx 管段流体获得热量
d hx (tw t f )x 2 Rdx c u R dt
d q2 Rdx
对微元体而言
对换热过程而言 2 p m f
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
（b）管长方向流体平均温度：
分别整理方程式： 常热流边界（q=const）：
二、 平均流速与平均温度
常壁温边界（tw=const）： 流体与壁面间温差沿管长呈指数曲线变化，那么全管长流体与壁面平 均温差Δtm： 对数平均温差Δtm：
(tw t f ) (tw t t t f ) tm (tw t f ) t ln ln t (tw t f )
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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。