传热学教学课件对流换热计算
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传热学第二章对流换热
在y=δt时，流体温度接近主流温度
tf.流体由tw变化到接近tf的这一薄层 即为热边界层，δt为热边界层的厚
δtt
度。对流换热主要发生在热边界层
tw
内。
传热学第二律
一、边界层概念
在层流边界层中，热量的传递只能依靠流体层与层间的 导热作用，此时对流换热较弱。在紊流边界层中，层流底 层的热量传递方式仍是导热，但在层流底层以外存在着对 流，因而对流换热较强。所以对流换热实际上是包括流体 层流的导热和层流以外的对流共同作用的综合传热过程。 若同一流体在相同的温度下流过同一壁面时，则层流底层 越薄，对流换热越强烈。
一、沸腾换热
图中B点之前的过程， Δt=1-5℃，热流通量较低， 即使壁面上产生气泡也不能脱离上浮，蒸发只能在液 体表面进行。这时的沸腾称为对流沸腾。其换热服从 单相对流换热规律。
图中B—C段，Δt=5-25℃，温差增大，有大量气 泡在壁面上不断生成、长大、跃离。由于气泡的迅速 生长和激烈运动，强烈扰动周围液体，使换热系数α 和热流通量都急剧增大，在一定的Δt下α达到峰值。 因为在B—C段的换热主要取决于气泡的生成和运动， 故称泡态沸腾或核态沸腾。一般工业设备中的沸腾都 维持在泡态沸腾范围内。
传热学第二章对流换热
第二章 对流换热
1 对流换热分析及牛顿冷却定律
2 相似理论及其在对流换热中的应用
3 对流换热计算 4 沸腾与凝结换热
传热学第二章对流换热
第二章 对流换热
对流是指在流体各部分之发生相对位移时， 热量由一处传递到另一处的现象，这种现象只能 发生在流体内部。但是，在工程中通常遇到的并 不是只在流体内部进行的纯粹的热对流，而是在 流体与固体壁之间发生的对流换热。所谓对流换 热（又称放热）是指流体与固体壁直接接触而又 有相对运动时的热量传递过程。在这一过程中， 不仅有对流作用，同时还伴随有导热作用。
第6章-对流换热1PPT课件
一、换热微分方程
由牛顿冷却定律：
q w ,xh x(tw-t ) W m 2
由傅里叶定律与牛顿冷却公式：
对流换热过程
hxtw t y tw ,x
微分方程式
W (m 2C ) (62)
-
22
五、流动边界层
层流
过渡流
湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
五、流动边界层
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
一、牛顿公式
qht QhAt
15 16
只是对流换热系数 h 的一个定义式，它并没 有揭示 h 与影响它的各物理量间的内在关系
本章的目的就是要揭示这种联系，即求解表面换 热系数h的表达式。
6.2 影响对流换热的主要因素
影响对流换热系数 h 的因素有以下 5 方面 流体有无相变 流体流动的起因 换热表面的几何因素 流体的流动状态 流体的物理性质
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
作为一种能量输运过程，对流换热过程必然 遵循能量守恒原理，对流过程中的流体温度场 应是能量守恒原理与对流换热具体的热量输运 形式相结合的表现形式，其数学描述称为能量 守恒微分方程，简称能量方程。
在对流换热过程中： 能量守恒原理 — 热力学第一定律； 热量输运形式 — 导热＋对流。
质量*加速度＝体积力＋压力＋粘滞力
D D u uu u xv u yw u z
（u
uuvu) x y
Fx
px (x2u2
y2u2)
（v
uvvv) x y
Fy
py (x2v2
y2v2)
二、动量守恒微分方程(Navier-Stokes)
稳态下自然对流：
《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件
4个方程,4个未知数(h,u,v,t)， 理论上存在唯一解， 可通过数学方法进行求解
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
工程热力学与传热学 第四章对流换热
从公式可知，要计算热流量，温度及面积比较容易得到，
主要是如何求得对流换热系数α，这是研究对流换热的主要任
务之一。
确定α；
➢对流换热的任务 揭示α与其影响因素的内在关系；
增强换热的措施。
➢研究对流换热的方法 ➢ 分析法 ➢ 实验法
➢ 比拟法 ➢ 数值法
➢ 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。
➢关于速度边界层的几个要点
(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， << L
(2) 边界层内存在较大的速度梯度
(3) 边界层流态分层流与紊流；紊流边界层紧靠壁 面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）
(4) 流场可以划分为边界层区与主流区，主流区 的流体当作理想流体处理
热边界层
➢定义
当流体流过平板而平板的 温度tw与来流流体的温度t∞不相 等时，在壁面上方也能形成温 度发生显著变化的薄层，常称 0 为热边界层。
：流动边界层厚度 u 0.99u
t∞ u
δt δ
tw
x
l 如，空气外掠平
板u=10m/s：
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
➢速度边界层的形成及发展过程
紊流核心
临界距边离界xc层：从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决
于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
4、流体的物理性质
流体内部和流体与壁面间导热热阻小 c 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
自然对流换热增强
体胀系数：
1
(
传热学第56章对流换热
1、概述
要求解对流换热需得到速度场和温度场
假设： a) 流体为连续性介质
b) 流体为不可压缩的牛顿流体 c) 所有物性参数（、c、、μ）为常量 d) 忽略粘性力作功（即忽略粘性耗散产生的耗散热）
对于牛顿流体： u
y
4个未知量：速度 u、v ；温度 t ；压力 p
需要4个方程：连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3)
在贴壁处流速滞止，处于无滑移状态 （即：y=0, u=0），形成一极薄的不 运动的贴壁流体层。
在这一极薄的贴壁流体层中，热量只 能以导热方式传递
根据傅里叶定律：
qw
t
y
y0
W m2
流体的热导率 W (mC)
t y y0 — 在坐标(x,0)处流体的温度梯度
2020/4/28 - 10 -
(V) 0
2020/4/28 - 15 -
第5章 对流换热——§5-2 对流换热问题的数学描述
Euler法（控制体微元）：
(1) x、y、z方向流入的净流量：
udydz u u dxdydz u dxdydz
x
x
vdxdz
v
v y
dy
dxdz
v y
dxdydz
wdxdy w w dxdxdy w dxdydz
2020/4/28 - 5 -
第5章 对流换热——§5-1 对流换热概述
(3) 流体有无相变
单相换热 （Single phase heat transfer） ：
显热的变化
相变换热(Phase change)：凝结(Condensation)、 沸腾(Boiling)、
升华(sublimation)、 凝固(coagulation)、 融化(thaw)
传热学对流传热的理论基础课件
特征数方程中的 几位人物
传热学对流传热的理论基础课件
（4） 与 t 之间的关系及 Pr
对于外掠平板的层流流动: uco,n st
动量方u程 u x： v u y y 2u 2
d d
p 0 x
此时动量方程与能量方程的形式完全一致:
u
t x
v
t y
a
2t y2
表明：此情况下动量传递与热量传递规律相似
上述理论解与实验值吻合。
普朗特边界层理论在流体力学发展史上具有划时代的意义！
传热学对流传热的理论基础课件
5.3 流体外掠等温平板传热的理论分析
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， thermal boundary layer ）
厚度t 范围 — 热边界层或温度边界层
预期解的形式
传热学对流传热的理论基础课件
4. 如何指导实验
• 同名的已定特征数相等 • 单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、
物理条件
实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲 目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题 按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式 ——解决了实验中实验数据如何整理的问题 可以在相似原理的指导下采用模化试验 —— 解决了实物 试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题
Nu — 待定特征数 （含有待求的 h）
Re，Pr，Gr — 已定特征数
特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确 定需要通过理论分析，同时又具有一定的经验性。
传热学对流传热的理论基础课件
关联式中的待定参数需由实验数据确定，通常由图解法 和最小二乘法确定。如通过相似原理或理论分析，预期
传热学对流换热ppt课件
总结词
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
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目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
传热学-对流换热PPT课件
传热学-对流换热
对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 自然界中的种种对流现象 电子器件冷却 强制对流与自然对流
沸腾换热原理 空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
➢ 热对流（Convection）
流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑（自然对流换热增强）→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度， 从而影响对流换热系数。
内部流动对流换热： 管内或槽内
外部流动对流换热： 外掠平板、圆管、 管束
五、 流体有无相变（流体相变）：
单相换热 Single phase heat transfer： 相变换热 Phase change：
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多， 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层（贴壁流体层）
流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加） 而减薄。
湍流核心
层流底层
二、边界层
（一）速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时，
由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响，壁面附近的流体速度 会减小，即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 自然界中的种种对流现象 电子器件冷却 强制对流与自然对流
沸腾换热原理 空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
➢ 热对流（Convection）
流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑（自然对流换热增强）→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度， 从而影响对流换热系数。
内部流动对流换热： 管内或槽内
外部流动对流换热： 外掠平板、圆管、 管束
五、 流体有无相变（流体相变）：
单相换热 Single phase heat transfer： 相变换热 Phase change：
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多， 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层（贴壁流体层）
流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加） 而减薄。
湍流核心
层流底层
二、边界层
（一）速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时，
由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响，壁面附近的流体速度 会减小，即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
传热学课件第六章--单相流体对流换热
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
1.进口段与充分发展段 2>.对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有： t t t r r R w t t t t r w f w f
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 t 式变为： t t r r R h Const w tw t f r tw t f
另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律 与边界条件有关。
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
2.定性参数 2>.管内流体平均温度 ①常热流通量边界条件： t tw// tw/
tf /
进口段 充分发展段
tf// x
如图，此时：tw>tf 经分析：充分发展段后： tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时，管内流体的平均温度为： t f t f tf 2
第三节
自 然 对 流 换 热
一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流）
指热（冷）表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。 一般准则方程式可整理成： Nu=f（Gr· Pr） 一般Gr· Pr>109时为紊流，否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热，其准则方程式常可整理成： Num=C（Gr· Pr）mn C、n可参见表6=5，注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令：Ra=Gr· Pr Ra为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式，常见的 为邱吉尔（Churchill）和朱（Chu）总结的式6-19，20。
材料科学工程课件23对流换热
No Image
传热学
（1） 竖夹层 恒壁温条件下空气在竖夹层的准则关系式为：
2yu2y
能量守恒方程
共3个方程，包含了4个未知数（ux, uy,p,t）。虽然方程组是封闭的， 原则上可以求解，然而由于Navier - Stokes方程的复杂性和非线性的特 点，要针对实际问题在整个流场内数学上求解上述方程组却是非常困难 的，这种局面直到1904年德国科学家普朗特（L. Prandtl) 提出著名的 边界层概念，并用它对Navier一Stokes方程进行了实质性的简化后才有 所改观，使数学分析解得到发展。后来，波尔豪森（E. Pohlhausen )又 把边界层概念推广应用于对流传热问题，提出了热边界层的概念，使对 流传热问题的分析求解也得到了发展。
当Gr>109时，自然对流边界层就会失去稳定 而从层流状态转变为紊流状态。
No Image
传热学
工程中广泛使用的是下面的关联式：
NuC(GrPr)n
式中：定性温度采用 tm(twt)/2；
特征长度的选择：竖壁和竖圆
柱取高度，横圆柱取外径。
No Image
传热学
E-Mail: 202.114.88.54/new/clgcjc/web/
ddyuuyuxuxyuyuyyuzuzy fy1 p y2uy ddzuuz uxuxz uyuyz uzuzz fz1 p z2uz
No Image
传热学
热现象 （3）不可压缩、常物性、无内热源 时, 能量守恒定律:
1 竖板 2 水平管 3 水平板 4 竖直夹板
No Image
传热学
3.4.1 无限空间中的自然对流换热
1） 换热过程分析
No Image
对流换热计算——传热学课件PPT
l
2
散热量
1 hAtw t hdltw t
4.483.14 10102 250 10 112.5W
水平部分
Grm
计算已定准则
Grm
gtl 3 2
竖直管部分
Grm
gtl3 2
gtl3
Tm 2
9.81 50 10 23 30 273 16106
2
4.0471010
计算公式
Num
0.11Gr
Pr
1/ 3 m
0.11
4.0471010
0.701 1/3
335.5
计算表面传热系数 h Numm 335 .5 2.67 102 4.48W/ m2 K
选取公式 Num 0.0266Re0m.805 Prm1/3 0.02661.0607105 0.805 0.702 1/3 262.6
计算表面传热系数
h
Numm
do
262.6 2.164102 35102
19.6W/
m2 K
计算散热量 hAtw t hdHtw t 19.63.14 0.351.753115 603.55W 5.5106 J
•
计算表面传热系数 h Nu f f
di
250.8 58.65102 28103
5253.4W/
m2 K
• 根据热平衡计算内壁温度 ' hAl twi t f
twi
' hAl
tf
'
hdil
tf
5253
41.21103 3.14 28103
1.7
15
67.5℃
从管内壁到管外壁进行的热量传递过程为通过圆筒壁的导 热，所以可以根据圆筒壁导热量计算公式计算管外壁温度
传热学第五章对流传热理论基础课件
研究对流换热的方法：
（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法
第五章 对流换热
3
5 对流换热的影响因素
其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流 体有无相变; (4)换热表面的几何条件; (5)流体的热物理性质
以流体外掠平板为例：
我们所要得到的是：
（1）当地热流密度和总的换热量
u v 0 x y
（ u
u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x 2
2u y2 )
（ v
u
v x
v
v y
)
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
c
p
t
u
t x
v
t y
2t x2
2t y 2
第五章 对流换热
29
4个方程，4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和 温度场(t)以及压力场(p), 既适用于层流，也适用 于紊流（瞬时值）
dy
c p
(vt) y
dydx
第五章 对流换热
32
Q导热
2t x2
dxdy＋
2t y2
dxdy
Q对流
c p
(ut) x
dxdy
c p
(v t) y
dxdy
c
p
u
t x
v
t y
t
u x
t
v y
dxdy
c
p
u
t x
v
t y
dxdy
U
cpdxdy
工程传热学第五章对流换热计算
假设L0.825 m，则RePr d/L>10
d f Nu 1.86 Re Pr l w
3 1
0.14
得h=10.12L-1/3。
t f '' 60 C
t m
t f ' 20 C
由能量平衡有:
(tw t f '' ) (tw t f ' ) (tw t f '' ) ln (tw t f ' )
弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由 于离心力的作用会形成垂直于流动方向 的二次流动，从而加强流体的扰动，带 来换热的增强。
弯曲管道流动情况示意图
在平直管计算结果的基础上乘以一个大 于1的修正系数 CR。 流体为气体时 ： CR＝1+1.77(d/R) 流体为液体时 ： CR＝1+10.3(d/R)3 R为弯曲管的曲率半径
t m
t
" f
t w t 'f t w ln t tw
" f
t 'f t w
其中，tf ’, tf”分别为进口、出口截面上的 平均温度。 当出口与进口截面上的温差比(tw - tf'')/(tw - tf')在0.5 ~ 2之间时，可按如下算术平均 温差计算，结果的差别在4%以内。
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。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re
um d
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选取公式 Num 0.0266Re0m.805 Prm1/3 0.02661.0607105 0.805 0.702 1/3 262.6
计算表面传热系数
h
Numm
do
262.6 2.164102 35102
19.6W/
m2 K
计算散热量 hAtw t hdHtw t 19.63.14 0.351.753115 603.55W 5.5106 J
4 41.21103
10 999.7 1.63.14 28103 2 4.191103 20℃
要求管外壁温度，必须首先知道管内壁温度。而管内壁温 度的大小与管内流体与管内壁的换热有关，因此应先计算 流体与管内壁的对流换热表面传热系数，此时的换热属于 管内流体强制对流换热。
•
定性温度：t f
解：该问题属于外掠圆柱体的对流换热。
定性温度：tm
1 2
tw
t
1 2
3115
23℃
查取物性参数 m 2.164 10 2 W/m K, m 15.34 10 6 m2/s, Prm 0.702
计算已定准则
Rem
Hale Waihona Puke udom41842.8 35103 2.5 360015.34 106
1.0607104
' two twi 1 ln do
2 l di
two
'
1
2 l
ln
do di
twi
41.21103 ln
2 3.14 18 1.7
31 67.5 89.3℃ 28
例题
一个优秀的马拉松长跑运动员可以在2.5h内跑完全程 （ 41842.8 m）。为了估计他在跑步过程中消耗的热量， 可以作这样的简化：把人体看成是高1.75m、直径为 0.35m的圆柱体，皮肤温度作为柱体表面温度，取31℃； 空气是静止的，温度为15℃。不计柱体两端的散热，试据 此估计一个马拉松长跑运动员跑完全程的散热量（不计出 汗散热的部分）。
l
2
散热量
1 hAtw t hdltw t
4.483.14 10102 250 10 112.5W
水平部分
Grm
gtd 3 2
•
计算表面传热系数 h Nu f f
di
250.8 58.65102 28103
5253.4W/
m2 K
• 根据热平衡计算内壁温度 ' hAl twi t f
twi
' hAl
tf
'
hdil
tf
5253
41.21103 3.14 28103
1.7
15
67.5℃
从管内壁到管外壁进行的热量传递过程为通过圆筒壁的导 热，所以可以根据圆筒壁导热量计算公式计算管外壁温度
计算已定准则
Grm
gtl 3 2
竖直管部分
Grm
gtl3 2
gtl3
Tm 2
9.81 50 10 23 30 273 16106
2
4.0471010
计算公式
Num
0.11Gr
Pr
1/ 3 m
0.11
4.0471010
0.701 1/3
335.5
计算表面传热系数 h Numm 335 .5 2.67 102 4.48W/ m2 K
2 f
f
f
2
查取物性参数 0.618 Wm K f
f 0.805106 m2/s
Pr f 5.42
计算已定准则
Re f
ud
2 20 10 3 0.805 10 6
4.97 104
选取实验关联式 Nu f 0.023Re0f.8 Prf0.4 0.023 4.97104 0.8 5.42 0.4 258.5
1.6m/s 10℃ 水
28 31
解：热稳定时，加热器产生的热量等于通过绝热层散失的热 量加上水在管内吸收的热量，所以水在管内吸收的热量为
' 1 2% 42.05 1 2% 41.21kW
'
m cp
t"f
t
' f
t
" f
t
' f
' m cp
t
' f
'
uAcp
t
' f
4'
ud i2c p
计算表面传热系数
h Nu f f
d
258 .5 0.618 20 10 3
7988 W/ m2 K
计算管子内壁温度，根据热平衡原理有
u d 2
4
cp
t
" f
t
' f
hdl tw t f
tw
tf
hdl
39.7
℃
检查所用公式的适用条件与题目是否相符
例题
在一次对流换热实验中，10℃的水以1.6m/s的速度流入 内径为28mm、外径为31mm、长为1.7m的管子。管子 外表面均匀地缠绕着电阻带作为加热器，其外还包有绝热 层。设加热器总功率为42.05kW，通过绝热层的散热损失 为2％，管材的导热系数为18W/mK。试确定： （1）管子出口处的平均水温； （2）管子外表面的平均温度。
例题
• 室内有一散热管道，布置如图。试计算该管道的散热量。 假设管道表面温度为50℃，室内空气温度为10℃，管道 的直径为10cm。
4m 10cm
2m
解：该问题属于自然对流换热。
定性温度
tm
1 2
tw
t
1 2
50 10
30℃
查取物性参数 m 2.67 10 2 W/m K, m 16.00 106 m2/s, Prm 0.701
对流换热计算
对流换热计算的主要步骤
• 确定换热类型； • 计算定性温度； • 根据定性温度查取物性参数； • 计算已定准则； • 根据已定准则选取实验关联式； • 核实题目条件与关联式条件是否吻合； • 作相应的修正。
例题
1.水流过长 l
5m、壁温均匀的直管时，从
t' f
25.3℃ 被加热
到
t“ f
1 2
t
' f
t
" f
1 10 20 15℃
2
• 查取物性参数：f 58.65102 W/m K, f 1.156106 m2/s, Prf 8.27
•
计算已定准则
Re f
udi
f
1.6 28103 1.156106
3.875104
• 选取公式 Nu f 0.023Re0f.8 Prf0.4 0.023 3.875104 0.88.270.4 250.8
34.6 ℃
。管子的内径 d 20mm，水在管内的流速
为 u 2m/s ，求表面传热系数和管内壁温度。
u 2m/s
t ' 25.3℃ f
l 5m
d 20mm t“ 34.6 ℃
f
解：该换热属于管内强制对流换热。
定性温度 t 1 t' t" 1 25.3 34.6 30 ℃