流体在管内受迫对流换热
南京工业大学研究生考试传热学名词解释汇总
《传热学》名词解释汇总绪论热传导、导热系数、热对流、对流换热、对流换热系数、传热过程、传热系数热阻、辐射换热第一章温度场、温度梯度、等温面、热流密度矢量、热扩散率（热扩散系数）第二章稳态导热、临界热绝缘直径、肋片效率、接触热阻、（导热）形状因子第三章非稳态导热、瞬态导热、周期性非稳态导热、（瞬态温度变化的）正常情况阶段集总参数法、（材料的）蓄热系数、傅立叶准则、毕渥准则第五章自然对流、受迫对流、混合对流、流动边界层、热边界层、物理现象相似雷诺准则、努谢尔特准则、格拉晓夫准则、普朗特准则第六章（流动、热）进口段、（流动、热）充分发展段、（自然对流换热的）自模化现象、第七章膜状凝结、珠状凝结、（饱和、过冷、泡态、膜态）沸腾第八章黑体、白体、透明体、辐射力、单色辐射力、定向辐射强度、单色定向辐射强度发射率（黑度）、单色发射率、定向发射率、单色定向发射率、灰体、温室效应第九章角系数、有效辐射、投入（投射）辐射、辐射隔热第十章复合换热、换热器、（换热器的）效能、（换热器的）传热单元数《传热学》填空汇总绪论1、导热又称热传导，是指物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时，依靠微观粒子热运动而进行的热量传递现象，导热过程可以在固体、液体和气体中发生。
2、导热系数在数值时上等于物体单位温度降单位时间通过单位面积的导热量，表征了物质导热能力的大小，是物质的属性，工程计算采用的各种物质的导热系数的数值一般均由实验测定。
3、热辐射或辐射换热与其他热量传递方式相比存在两个显著的特点在传递过程中存在能量形式的转换、可在真空中传递（冷热物体不需要直接接触）。
4、单位面积的导热热阻的单位是m2K/W（或m2℃/W）。
5、传热学是从宏观角度进行物理现象的分析，其并不研究物质的微观结构，而把物质视为连续介质。
第一章1、导热理论的任务就是要找出任何时刻物体中各处的温度，为此所建立的导热微分方程给出了物体导热过程的基本规律，描述了物体内的温度分布。
传热学选择题
WORD格式2009 年预赛传热学部分1、某对流散热物体的温度计算适用集总参数法的条件是（B ）A、傅里叶准则数Fo大于某一数值B、毕渥准则Bi小于某一数值C三维尺寸很接近D、导热系数较大2、在（B ）的条件下，对流热扩散系数与对流质扩散系数存在简单的换算关系从普朗特准则Pr=1B、刘易斯准则Le=1C施密特准则Sc=1D、宣乌特准则Sh=13、毕渥准则Bi反映了对流散热物体的什么特点？（B ）从反映了物体内部温度分布的均匀性，Bi的值越大，代表温度分布越均匀3、反映了物体内部温度分布的均匀行，Bi的值越大，代表温度分布越不均匀C反映了物体散热能力的大小，Bi的值越大，代表散热速度越快日反映了物体散热能力的大小，Bi的值越大，代表散热速度越慢4、努谢尔特准则Nu中的导热系数指的是（A ）A、流体的导热系数B、固体壁面的导热系数C流体的导热系数和固定壁面的导热系数的平均值D、依具体条件而定5、一台按照逆流流动方式设计的套管换热器在实际使用过程中被安装成顺流流动方式，那么将（C ）A、流动阻力增加B、传热换热系数减小C换热量不足D、流动阻力减小6、对流质交换表面传质系数的单位是（C ）专业资料WORD格式A、W/（m.K）B、W/（m2.K）C、m/sD、kg/s7、某一确定流体在垂直管内流动并被冷却，流体向上流动的对流换热系数与向下流动的相比（A ）A、要大B、要小C、大小相等D、大小不确定8、周期性边界温度条件下，无限大平壁内不同位置的温度波（A ）A、具有相同的周期B、具有相同的振幅C、周期逐渐缩短D、波长逐渐变小9、黑体温度越高，则热辐射的（C ）A、波长越短B、波长越长C、峰值波长越短D、波长范围越小10、形式为3 t/ 3 T =a V2.t的导热微分方程适用的范围是（A ）A、非稳态导热B、各向异性介质C导热系数随温度变化D、有内热源11、竖平壁层流膜状凝结的平均表面传热系数随壁面高度的增加而（），随换热温度的增加而（C ）A、增加，增加B、增加、减小C减小，增加D、减小，减小12、在什么条件下，普通物体可以看作是灰体？（D）专业资料WORD格式4发出热辐射的金属表面可以看作是灰体8、出红外辐射的表面均可看作是灰体0＞普通物体表面在高温条件下的热辐射可以看作是灰体口、普通物体表面在常温条件下的热辐射可以看作是灰体13、瑞利准则Ra=Gr.Pr是与（A ）过程有关的无量量纲A、非稳态导热B、凝结放热C受迫对流D、自然对流14、凝结分为膜状凝结和珠状凝结两种形式。
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)；
对流换热公式汇总与分析
对流换热公式汇总与分析【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。
本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。
【关键词】对流换热类型公式适用范围对流换热的基本计算形式——牛顿冷却公式：q h(tt f)(W / m2 )w或 Am2上热流量h(t w t f)(W )上式中表面传热系数h 最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即h f (u, t w ,t f , ,c p , , , ,l )综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表 1 所示。
表 1 典型换热类型1.受迫对流换热1.1内部流动圆管内受迫流动内部流动换热非圆形管内受迫流动受迫对流换热外掠平板外部流动外掠单管外掠管束（光管；翅片管）无相变换热竖壁；竖管无限空间横管自然对流换热水平壁（上表面与下表面）对流换热有限空间夹层空间混合对流换热————受迫对流与自然对流并存垂直壁凝结换热凝结换热水平单圆管及管束外凝结换热相变换热管内凝结换热大空间沸腾换热沸腾换热管内沸腾换热（横管、竖管等）1.1.1 圆管内受迫对流换热(1) 层流换热公式西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为Nu f1.86 Re 1f / 3 Pr 1f / 3 ( d )1 / 3 (f )0.14lw或写成d 1 / 3f0.14Nu f1.86( Pe f l )( )w式中引用了几何参数准则d，以考虑进口段的影响。
l适用范围： 0.48 Pr 16700， 0.0044 (f )9.75 。
w定性温度取全管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径 d 。
如果管子较长，以致[(Re Pr d)1/ 3 ( f) 0.14 ]2lw则 Nu f 可作为常数处理，采用下式计算表面传热系数。
常物性流体在热充分发展段的Nu 是Nu f 4.36(q const)Nu f3.66(t w const)(2) 过渡流换热公式对于气体， 0.6Pr f1.5 ， 0.5T f1.5 ， 2300Re f 104。
注册设备工程师辅导-传热学-对流换热部分
注册公用设备工程师执业资格考试基础课辅导传热学讲授：许淑惠教授北京建筑大学1对流换热部分2¾确定h的3 种基本方法1、分析法（理论分析方法）(1) 微分方程分析解(2) 积分方程分析解2、类比法（雷诺类比）（半经验方法）（经验方法）3、试验法（经验方法45一、影响对流换热的一般因素1）流动的起因和流动状态2）流体的热物理性质3）流体的相变4）换热表面几何因素(),,,,,,,,W f p h f u t t c l λραμ=¾流动边界层的几个重要特性：1)边界层很薄，其厚度与壁的定型尺寸相比是极小的；2)在边界层内存在较大的速度梯度；3)边界层流态分为层流与紊流，紊流边界层紧靠壁面处将是层流，称层流底层；4)流场可划分为主流区和边界层区，只有在边界层内才显示流体粘性的影响。
819•速度场相似：对应速度成比例，为速度场相似倍数•稳态温度场相似：空间对应点上过余温度成比例，为温度场相似倍数第六节相似理论基础一、几何相似二、物理现象相似6－1 基本概念1)几何相似：存在为几何相似倍数l C 物理量相似：Cu C θ20（1）为温度场相似倍数；（2）为时间相似倍数。
C θC τ表示物理量相似。
,,,,,l u C C C C C C τθλν•非稳态温度场相似：空间对应点上过余温度成比例：因此当等物理量相似是物理现象相似的前提条件。
•物理相似（物理现象相似）影响物理现象的所有物理量场分别相似的综合，就构成了物理现象相似。
注意三点：（1）必须是同类现象才能谈相似；（2）物理量场的相似倍数间有特定的制约关系，体现这种制约关系，是相似原理的核心；（3）注意物理量的时间性和空间性。
216-2 相似原理•相似原理的三点表述：A.相似性质；B.相似准则间的关系；C.判断相似的条件。
一、相似性质相似性质：彼此相似的现象，它们的同名相似准则必定相等。
=Nu Nu'''=Re'Re''Pr'=Pr'''=''Gr Gr2627二、相似准则间的关系(Re,Pr,)Nu f Gr =(Re,Pr)Nu f =(Re)Nu f =(,Pr)Nu f Gr =4. 自然对流换热，其准则关联式：1、无相变受迫稳态对流换热，且当自然对流不可忽略时，准则关联式：2、无相变受迫稳态对流换热，若自然对流可以忽略不计时，准则关联式：3、对于空气，Pr 可以作为常数，无相变受迫稳态对流换热，准则关联式：Re nNu C =()Pr n Nu C Gr =Re Pr n m Nu C =三、判断相似的条件•判断现象是否相似的条件，满足：A.凡同类现象；B.单值性条件相似；C.同名的相似准则相等。
第五章 对流换热计算
13
大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物 性修正项 。
对于液体乘以
f w n
液体被加热n=0.11，液体被冷却n=0.25(物性量 的下标表示取值的定性温度)
对于气体则乘以: Tf Tw n
气体被加热n=0.55，气体被冷却n=0.0（此处 温度用大写字符是表示取绝对温标下的数 值）。
第五章 对流换热计算
§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算 §5-2 流体外掠物体的对流换热计算 §5-3 自然对流换热计算 §5-4 液体沸腾换热计算 §5-5 蒸汽凝结换热计算
2019/5/12
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§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算
1 管(槽)内流动换热的特点
流体在管内流动属于内部流动过程，其主要 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）区段和流动充分发展 区段
按照势流理论，流体在
边界层速度分布圆柱体的前部流速逐步增大而压力会逐步减 u∞ 小；流体在圆柱体的后 t∞
分离流动 速度分布
部流速会逐步减小而压
力会逐步增大。
流体绕流圆柱体
但是，因流体的黏性力的作用，在圆柱体的
前部会形成流动边界层，速度会从势流流速
逐步改变到壁面上的零速度，这种速度改变
以消耗流体动量为代价的，这一过程特征会
[解] 查出20℃时空气的运动粘度为=15.0610-6 m2/s
假设进入过渡区的距离为L1，
由雷诺数Re1=uL1/ =2105, 计算出L1=0.30m；
假设进入紊流区的距离为L2,
由雷诺数Re2= uL2/ =5105, 计算出L2=0.75m。
2019/5/12
222管内强制对流换热计算示例-空气
222管内强制对流换热计算示例-空气222 管内强制对流换热计算示例-空气说明流体在换热过程中无相变。
流体在管内用泵、风机、压缩机等强制流动。
雷诺数Re=ud/v式中，u为流体速度，m/s；d为管路直径，m；v为流体的运动黏度，m2/s。
计算方程（流体与管内壁温差不太大、管路不太短时）当2300>R e>13，且dR e P r/L>10时（R e为流体流动的雷诺数，无因次；d为管路的当量直径，m；P r为流体的普朗特数，无因次；L 为管路长度，m），N u=1.86(dR e P r/L)0.333当10000>R e>2300，且流体为气体，气体普朗特数1.5>P r>0.6时，N u=0.0214P r0.4(R e0.8-100)当10000>R e>2300，且流体为液体，液体普朗特数100>P r>1.5时，N u=0.012P r0.4(R e0.87-280)当12*104>R e>104，普朗特数120>P r>0.7，L/d>60时，如流体被加热，则：N u=0.023P r0.4R e0.8如流体被冷却，则：N u=0.023P r0.3R e0.8上述公式中流体物性的定性温度为流体进出管路的平均温度。
换热系数：a fa=N u d ao/d式中，a fa为流体的对流换热系数，W/(m2.K)；N u为努谢尔特数，无因次；d ao为流体的热导率，W/(m.K)；d为管路当量直径，m。
流体与管路的换热量为：Q=a fa FT d式中，Q为换热量，W；a fa为流体的对流换热系数，W/(m2.K); F 为流体与管路壁面的接触面积，m2；T d为流体与管壁表面温度之差；K。
计算示例空气在膜管-壳体型膜组件的壳侧（膜管与壳体之间的空间）流动，壳体内直径为40mm，膜管有100根，膜管外直径为1.3mm，膜管长度为1500mm，膜管外壁温度约为80℃；空气在膜管外的流速为6.6m/s，空气在膜管外的平均温度为78℃，计算膜组件给空气的加热量和空气流经膜组件的温升。
第六章 无相变对流换热准则方程式
当流体与壁面之间存在较大温差时，希德和泰 特建议采下列公式： Ｎuf＝0.027Ｒef0.8Ｐrf1/3（μf/μw）0.14 (6-2) 该式适用于Ref＞10４，Prf＝0.7～16700， L/D＞50，直管。式中除μw取壁温下tw的动力 粘度外，其它物性均取流体平均温度tf下的。 定型尺寸取管内径D，特征速度为V。
一、大空间自然对流换热 所谓大空间是指换热面附近的流体的流 动没有受到紧挨着的其他换热表面的干 扰。暖气片散热便是典型的大空间自然 对流换热。
对于各种气体和液体，各种形状的换热面，在大 空间自然对流换热时，麦阿当姆推荐用下列准则 方程式来计算平均放热系数 Ｎum＝C(ＧrPr)mn （6-13) 式中，定性温度采用流体与壁面的平均温度tm＝(tf ＋tw)/2，定型尺寸以及系数C和指数n的取得，可 根据换热表面的形状，位置及(Gr· m的数值范 Pr) 围由表6-6查取。 自然对流的流态是由瑞（雷）利数Ra=Gr· Pr判断。
最大流速判断
顺排：v f s1 z v1 ( s1 D ) z vmax s1 v1 v f s1 D 2 v 2 ( s2 D ) z 当2( s2 D ) s1 D 当2( s2 D ) s1 D vmax vmax s1 vf s1 D s1 vf 2( s2 D )
c
0.989 0.911 0.683 0.193 0.027
n
0.330 0.385 0.466 0.618 0.805
表6-2 横掠单圆管时准则方程式中c和n值
上面介绍的经验公式(6-11)，是对流体的 流动方向与管道轴线相垂直，即冲击角φ ＝９０ °的情况而言的。若φ ＜９０°（见图6-4)，则 流体流过圆管时，如围绕椭圆管一样，将使旋涡 区域缩小，而且正对来流的冲击减弱，这些都会 促使平均换热系数α 降低。因此，在这种情况下， 根据式(6-11)算出的α 值，还应乘以斜冲校正系 数ε φ ，ε φ 的值可由图6-5查出。
第6章 单相流体对流换热
Nu f 0.023Re Pr
0.8 f
0.4 f
Nu f 0.023Re0f.8 Prf0.3
l / d 10
适用条件：中等以下温度差
Ref>104 Prf=0.7~160
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定性温度取全管长平均温度tf，定型尺寸为管内径
17
传热学
（2）西得－塔特公式
Nu f 0.027Re Pr ( f / w )
传热学
传热学（第五版）
Heat Transfer
主讲教师： 李志生
广东工业大学 土木与交通工程学院
2014-7-8
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第6章
单相流体对流换热
传热学
本章主要内容
1、管内受迫对流换热 2、外掠圆管对流换热 3、自然对流换热
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3
传热学
第一节 管内受迫对流换热
f f
11
c tudf
p
R
传热学
流体沿管长焓值的变化等于它与管壁的换热量
d hx tw t f x 2Rdx c pumR 2 dt f
d q 2Rdx
dt f 2q dx c pum R
或
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dt f dx
2hx t w t f x
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图6-15 有限空间自然对流换热
传热学
复习
流体的流动状态可分为哪几种？哪种换热效果好？ 对流按起因可分为哪两类？哪种换热效果好？
间导热热阻小 ) h (流体内部和流体与壁面 、c p h (单位体积流体能携带更多能量)
工程热力学与传热学：10-5 单相流体强迫对流换热特征数关联式
1
Nu 0.664Re 2 Pr 3
适用条件（10-28）（10-31）
常热流平板层流换热
Nux
0.453
Re
x
1 2
1
Pr 3
1
1
Nu 0.680Re 2 Pr 3
适用条件（10-32）（10-33）
2. 外掠平板湍流换热：
等壁温平板湍流换热
Nux
0.0296Rex 45
1
Pr 3
4
1
Nu (0.037 Re 5 871) Pr 3
Nu f
1
( f / 8)(Re f 1000
1
12.7( f / 8) 2 (Pr f
) Pr 23
1)
[1
(
d l
)
2
3
]ct
适用条件（10-60）（10-61）（10-62）
10-5-2 外掠壁面强迫对流换热
1. 外掠平板2
Re
x
1 2
1
Pr 3
1
特征数关联式：表10-1
考虑进口段影响时等壁温管内层流换热：
Nu f
1.86(Re f
Prf
d
)
1 3
(
f
)0.14
l
w
适用条件（10-57）
定性温度：管道进出口流体的平均温度 tf。
2. 湍流换热： 一般光滑管，流体与管壁温度相差不大：
Nu f 0.023Re f 0.8 Prf n
适用条件（10-58） 实验偏差大，适于一般工程计算。
例题
3. 20℃，14kPa的空气，以150ｍ/s的速度流 过长为1ｍ的平板，平板温度保持150℃。 试问平板单位面积的平均热流量是多少？
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。
《传热学》第六章 单相流体对流换热
2. 层流换热
西得和塔特常壁温公式：
对于长管，h近似为常数：
3.过渡流换热——格尼林斯基关联式 4.粗糙管壁的换热 ——采用类比原理进行分析
根据类比率得出的准则方程：
其中：
摩擦系数Cf的计算：
ks——粗糙点的平均高度
粗糙度增加对h的影响
紊流 层流
凹处形成涡流， h增大
换热面积增大， h增大
自然对流引起 的雷暴天气
一、无限空间自然对流换热
边界层速度 变化规律：
边界层温度 变化规律： 局部对流表面传热系数hx沿竖壁变化规律—— 在层流段逐渐降低，紊流段后增大，达到旺盛紊流时保持不变
X方向动量方程：
稳态流动： 体积力仅为重力： 根据量纲分析：
X方向动量方程简化为：
将：
代入上式，得：
X方向动量方程变为：
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
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：
——适用于流体与管壁间温差较大情况
非圆形管修正：采用当量直径
弯管修正：圆管结果乘以修正系数 （R为螺旋管曲率半径）
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。
star-ccm+管内换热知识
一、管内换热知识概述管内换热是指通过管道内流体之间传递热量的过程，是热工学中的重要研究对象。
在研究与工程实践中，我们常常需要通过管内换热来实现流体的加热或冷却，从而满足工业生产或生活用水的需求。
而在计算机模拟与仿真方面，STAR-CCM+是一款流体动力学和传热学仿真软件，能够帮助工程师精确地模拟和分析管内换热过程。
二、管内换热的基本原理管内换热的过程通常可以分为对流换热和传导换热两种基本形式。
在管道内，流体流动时会与管壁发生摩擦，导致流体局部区域温度升高，这就是对流换热；而管道内的流体也会与管壁直接接触，从而发生传导换热。
这两种换热方式共同作用，在管道内形成复杂的换热过程。
三、管内流体的流动特性在进行管内换热仿真时，需要充分了解管道内流体的流动特性。
流体的黏性、密度和速度等参数都会影响管道内的换热效果。
流体的流动方式也对换热过程有重要影响，比如层流流动和紊流流动分别表现出不同的换热特性。
四、STAR-CCM+在管内换热仿真中的应用STAR-CCM+是由Siemens PLM Software公司开发的一款多物理场耦合仿真软件，可广泛应用于流体动力学、传热学、结构力学等领域。
在管内换热仿真方面，STAR-CCM+具有丰富的物理模型和数值算法，能够精确地模拟管内流体的流动和换热过程，为工程设计和优化提供良好的支持。
五、STAR-CCM+管内换热仿真的建模流程进行管内换热仿真前，需要进行合理的模型建立和网格划分。
在建立模型时，需要将管道、流体和壁面等几何体素化，并设定相应的边界条件和初始条件；而在网格划分过程中，需要充分考虑流场的复杂性和换热效果的精确性，使用合适的网格类型和尺寸。
六、STAR-CCM+管内换热仿真的结果分析进行仿真后，需要对结果进行合理的分析和后处理。
通过分析流场的速度、压力、温度和浓度等分布，可以全面了解管内换热的特性和规律。
使用STAR-CCM+的后处理工具，可以生成直观的图表和动画，直观展示换热效果和流动特性。
管内强制对流换热仿真实验
管内强制对流换热仿真实验管内强制对流换热仿真实验是一种用于研究流体在管道内的传热过程的实验方法。
通过对流体在管道内的温度分布、传热系数等参数进行测量和分析，可以得到流体在管道内的传热性能，进而优化管道设计和改进传热设备。
一、实验目的管内强制对流换热仿真实验的主要目的是探究流体在管道内的传热特性，包括温度分布、传热系数等参数。
通过这些参数的测量和分析，可以了解不同条件下流体在管道内的传热情况，并进一步优化传热设备和提高能源利用效率。
二、实验原理1. 对流换热原理：对流换热是指通过流体与固体表面接触，通过对流传递能量而实现的换热过程。
其换热机理主要包括对流传导和对流辐射两种方式。
2. 管内强制对流换热：在管道内部加入了强制循环装置，通过外部力使得液体或气体在管道中产生强制循环，从而增加了对流传递能量的效率。
三、实验装置1. 管道：选择合适的管道材料，如金属或塑料，根据实验需求确定管道的直径和长度。
2. 流体介质：选择合适的流体介质，如水或空气，并控制其流量和温度。
3. 强制循环装置：通过泵或风机等外部力源，使得流体在管道内产生强制循环，增加对流传热效果。
4. 传感器：安装在管道内不同位置的温度传感器，用于测量温度分布。
5. 数据采集系统：用于实时采集和记录传感器测量到的温度数据。
四、实验步骤1. 准备工作：确定实验所需材料和设备，并进行检查和准备。
确保所有设备安全可靠，并进行必要的校准和调试。
2. 实验参数设定：根据实验需求，设置流体介质的流量、温度等参数，并确保其稳定性。
同时设置强制循环装置的运行状态。
3. 实验数据采集：启动数据采集系统，并确保传感器能够准确测量到不同位置处的温度数据。
进行实验期间的数据记录和存储。
4. 实验数据分析：根据采集到的温度数据，计算并分析流体在管道内的温度分布、传热系数等参数。
可以借助计算机软件进行数据处理和分析。
5. 结果评估与优化：根据实验结果，评估流体在管道内的传热性能，并针对不同情况进行优化和改进。
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
)
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 ⎥ ⎦。
工程传热学第五章对流换热计算
大温差情况下计算换热时准则式右边要 乘以物性修正项 。 对于液体乘以 f w n
液 体 被 加 热 n=0.11 ， 液 体 被 冷 却 n=0.25( 物性量的下标表示取值的定性温 度) 对于气体则乘以: T f Tw
n
气 体 被 加 热 n=0.55 ， 气 体 被 冷 却 n=0.0 （此处温度用大写字符是表示取绝对温 标下的数值）。
qw w LT L 层流： t 0.055 Re Pr; t 0.07 Re Pr 热进口段长度： d d
L 紊流 : 50 d
热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变， 有
t f ( x) t 'f 4qw x cpumd
n m
准则的特征流速为流体最小截面处的最大流 速 umax ；特征尺寸为圆柱体外直径 d ；定性温 度除 Prw 按壁面温 tw 取值之外，皆用流体的主 流温度tf ；
Pr f Pr w
0.25
是在选用 tf 为定性温度时考虑热流方 向不同对换热性能产生影响的一个修 正系数。
如果流体流动方向与圆 柱体轴线的夹角（亦称 冲击角）在 30°- 90° 的范围内时，平均表面 传热系数可按下式计算
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
um04） — — 过渡区 Re 10
层流流动
紊流流动
0
中国矿业大学热质交换原理与设备第2章_(6,7节)
C0 qT C0 q c0 1 e
24
qT q c0
传热与传质同向， 传质强化了传热， 如凝结，蒸发 传热与传质反向， 传质削弱了传热， 发散冷却，烧蚀冷 却
传质对总传热量的影响
25
26
各种对流换热比较
27
6
28
5、热质交换同时进行时的求解方法（2）
问题模型：（图） 流体流过平壁面，壁面和主流流体存在 温差，浓度差。 可作的简化：一维稳态、常物性。
qm mi c pi (T T0 ) M i N i c pi (T T0 )
i 1
i 1
m
m
有温差的过程（两部分组成）
热量传递方程式
qT qm qh
dT qh dy
qh hT
14
2、传递模型
通过静止气层传质系数：
hm ( A,0 A, ) DAB p pB , m
q2 (NAMACpA NBMBCpB )(t t 0 )
q4 (NAMACpA NBMBCpB )(t dt t 0 )
微元体能量守恒：
q1 q 2 q3 q 4
16
d 2t dt 2 (M A N AC pA M B N BC pB ) 0 dy dy
dt 1 分离变量，积分 [hC0 (t t0 ) qt ]dy
30
dt 1 [hC0 (t t0 ) qt ]dy
t2
t1
d [hC0 (t t0 ) qt ] hC0 [hC0 (t t0 ) qt ]
dy
0
[hC0 (t2 t0 ) qt ] ln{ } hC0 [hC0 (t1 t0 ) qt ]
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§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：()
3
3.101 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 = 1
n
0.5
⎛ 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 Re
0. 8 f
L ≥ 60 适用的参数范围： Re f ≥ 10 ; 0.7 ≤ Pr f ≤ 16700; d
4
⎛μf ⎞ Pr ⎜ ⎜μ ⎟ ⎟ ⎝ w⎠
1/ 3 f
0.14
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d
Pr 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d
0.43 ⎛ 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Nu
d 1/ 3 ⎛ η f ⎞ ⎟ Nu f = 1.86(Re f Pr f ) ⎜ ⎜ ⎟ l η w ⎝ ⎠
适用的参数范围：
0.14
Re 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 point
Separation point
Favorable pressure gradient
Adverse 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 ⎥ ⎦
。