6管内强制对流传热
第5章 对流传热理论与计算-5-实验关联式与自然对流
六 计算中需要注意的问题
3 注意的问题
（1）判断问题的性质
这是正确求解对流传热问题的关键。流体有无发生相 变？是自然对流还是强制对流？内部流动还是外部流动？ 流态是层流还是湍流？
（2）选择正确的实验关联式
切忌张冠李戴，特别注意公式的适用范围，切不可随
意外推
40
六 计算中需要注意的问题
f w
0.14
2
33
（2） Hausen公式
若 Ref Prf
L /d
10时
Nuf
3.66
1
0.0668
0.04
Ref dL
Prf d L Ref Prf
2
3
可用于热入口段或混合段的层流对流传热
34
四 过渡区强迫对流传热的计算
过渡区：难以找到既简便又精确的计算公式
气体被加热时
气体被冷却时
c t
T T 0.55 fw
ct 1
对液体
m
c t
f w
m 0.11 液体受热时
m 0.25
液体被冷却时
24
引入修正系数ct来考虑不均匀物性场对换热的影响
Nu f
0.023
Ref0.8
Prfn
c t
气体被加热时
气体被冷却时
5.5 管内强迫对流传热的实验关联式
说明：
（1）管槽的含义：流动截面是圆形、椭圆形、正 方形、矩形、三角形等
（2）本节内容的重要性： ——指导工程计算的基础、给出的关联式是工程计算 的依据，必须掌握 ——考试的必考内容
管强制对流传热计算
管强制对流传热计算公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]管内强制对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。
由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re<2300 时，流体的流动为层流状态，当Re>10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300<Re<10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。
对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。
由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。
当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。
一般认为时，就可忽略自然对流的影响；当时，则按单纯自然对流处理，介于其间的情况称为混合对流传热。
应当指出，图4-18的对流传热规律是在流动充分发展的情况下的结论。
从第一章可知，当流体由大空间流入一圆管时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管内壁上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
通常将流动边界层及热边界层汇合于圆管中心线后的流体流动或对流传热称为已经充分发展的流动或对流传热，从进口到充分发展段之间的区域则称为入口段。
入口段的热边界层较薄，局部对流传热系数比充分发展段的高，随着入口的深入，对流传热系数逐渐降低。
如果边界层中出现湍流，则因湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，再逐渐趋向一定值，上述规律如图4-19所示。
图中为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。
对于管内强制对流，实验表明，热入口段的长度lt与管内径d之间存在以下关系层流时管壁上温度恒定（4-71a）管壁上热通量恒定（4-71b）湍流时（或40～60）（4-72）通常，工程上的对流传热主要讨论全管长上的平均对流传热系数。
提高管内强制对流表面传热系数的方法
提高管内强制对流表面传热系数的方法管道传热是工业生产中常见的一种热传递方式，对流传热是其中重要的一种方式。
为了提高对流传热系数，可以从多个方面入手。
本文将从增大管道内流体的速度、改变管道的形状、增加管道内部的摩擦力等方面，介绍一些提高管内强制对流表面传热系数的方法。
1.增大管道内流体的速度增大管道内流体的速度是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
当流体的速度增大时，流体与管道表面的摩擦力增大，流体的动能也增大，这些均会促进传热。
此外，增大流体速度还可以增加管道内流体的湍流程度，从而进一步增加传热系数。
2.改变管道的形状改变管道的形状也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，在管道内部设置螺旋形的障碍物，可以增加流体与管道表面的接触面积，从而增加传热系数。
此外，改变管道的截面形状，比如在管道内部设置凸起或凹陷等形状，也可以增加流体与管道表面的接触面积，增加传热系数。
3.增加管道内部的摩擦力增加管道内部的摩擦力也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，在管道内部设置细小的凸起或凹陷，可以增加流体与管道表面的接触面积，增加传热系数。
此外，可以在管道内部设置不同形状、大小的障碍物，增加流体与管道表面的摩擦力，从而增加传热系数。
4.改变流体的物性改变流体的物性也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，可以改变流体的密度、粘度、热导率等物性参数，从而影响传热系数。
此外，可以在流体中添加一些传热介质，如金属粉末、碳纤维等，也可以提高传热系数。
5.增加管道内部的传热表面增加管道内部的传热表面也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，在管道内部设置多层管壁，增加管道内部的传热表面，从而增加传热系数。
此外，可以在管道内壁上涂覆高导热材料，增加管道内部的传热表面，提高传热系数。
提高管内强制对流表面传热系数需要综合考虑多个因素，如流体速度、管道形状、管道内部的摩擦力、流体的物性等。
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)；
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
管内强制对流传热
解：冷却水的平均温度为
tf
1 15
2
65
40 C
可查得水的物性参数为：
f
0.635
W/(m·K)， f
0.659
10 6m2/s，
Prf 4.31
圆 管 内 对 流 传 热 问 题 ， 流 速 1m/s ， 内 径 10mm ， 管 长
3m，水的进、出口温度分别为15℃和65℃。计算管内
的表面传热系数。
Re f
ud
f
1 0.01 0.659106
1.52 104
10 4 为湍流
l/d=3/0.01>60
选用迪图斯-贝尔特关联式
Nu
0.023
Re
0.8 f
Prf0.4
Nu 0.023 1.52104 0.8 4.310.4 91.4
h f Nu 0.63591.4 = 5804W/(m2·K)
适用的参数范围：
n
0 .4 0.3
(tw tf ) (tw tf )
Ref
104 ;
0.7
Prf
160 ;
l d
60长直管
对于弯管
由于管道弯曲改变了流体的流动 方向，离心力的作用会在流体内产生 如图所示的二次环流，结果增加了扰 动，使对流换热得到强化。
对于气体： 对于液体：
d cR 11.77 R
换热的充分 发展段
3. 强制对流传热特征数关联式
Nu f (Re,Pr)
努赛尔数 Nu hl 雷诺数 Re ul
普朗特数 Pr
a
其中:
确定流体物性参数（λ、ν、Pr 等）的温度称为定性温度；
l 称为特征尺度（或特征尺寸）；
6.3内部强制对流
(3) 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80～85C Re 1.5 105时，流动是湍流，产生 在140源自左右(4) 外掠单管的当地对流
换热系数的变化
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
2）若管子出口处的内表面温度为70℃，出口处
的局部对流换热系数多大？
Do 2 Di 2 L 4
Mcp (t "f t 'f )
L 17 .7 m
管壁内的均匀产热提供了均匀的表面热流密度
2 2 Do Di 4 2 q 1.5 10 W / m DiL 4 Di
查空气物性参数
22.87 106 m 2 / s, 0.953kg / m 3 , 0.319 W /(m K )
c p 1.009kJ /(kg K ), 21.8 106 m 2 / s, Pr 0.688
t ' t" t m 152 .2℃ t ' ln t "
非圆形截面的槽道，采用当量直径de作为特征尺度
1）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
1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) 液体：
Tf ct T w ct 1
n
0.5
f ct w
(5) 圆管表面平均表面传热系数关联式
13 Nu m C Re n Pr m m t 15.5 ~ 982C t 21 ~ 1046C Valid for : w 0.7 Prm 500 5 0 . 4 Re 4 10 m
传热学-第6章-单相对流传热的实验关联式
0.25
0.14
10 Ref 1.75 10 ; 0.6 Prf 700; 适用参数范围：
定性温度：进出口截面流体平均温度的算术平均值 tf
L d
50
特征长度：管内径d
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) 入口段效应则采用修正系数乘以各关联式; (3) 螺旋管中的二次环流的影响，也采用修正系数乘以 各关联式。 （4）短管修正
入口段长度
层流 紊流
l 0.05 RePr d
l 60 平均表面传热系数不需考虑入口效应 d
（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。
（4）特征速度——取截面的平均流速，并通过流量获得
二、 影响管内对流换热的几个因素
二、管内强迫对流传热特征数关联式
换热计算时,先计算Re判断流态，再选用公式 1. 紊流——迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式：
Nuf 0.023Re Pr
0.8 f
n f
0.4 n 0.3
(tw tf ) (tw tf )
适用的参数范围： 104 Ref 1.2 105 ; 0.7 Prf 120;
y 0
t h t y tw
y 0
根据物理量场相似的定义
t h t y y0 tw
Ch Cl t h t y C tw
ChCl 1 C
二、 相似原理
相似原理主要包含以下内容：
物理现象相似的定义； 物理现象相似的性质； 相似特征数之间的关系； 物理现象相似的条件 。 （1）物理现象相似的定义 物理现象的相似以几何相似为前提。两个同类图形对应 尺度成同一比例,则这两个同类图形几何相似。几何相似的两 个图形中对应的空间点之间的距离必然成同一比例。 物理现象相似——同类物理现象之间所有同名物理量场都相 似，即同名的物理量在所有对应时间、对应地点的数值成比例。
管内强制对流传热膜系数的测定
装订 线实验报告课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：__________________实验名称： 管内强制对流传热膜系数的测定 实验类型：________________同组学生姓名：__________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1、了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。
2、学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。
3、掌握近似法和简易Wilson 图解法两种从传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。
4、掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。
5、掌握热电偶、UJ-36电位差计的长图式自动记录仪的使用方法。
二、实验内容1、在空气-水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。
2、通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热系数K i 的实验值。
3、分别用近似法、简易Wilson 图解法求取空气侧对流传热膜系数αi 。
4、根据实验获得的对流传热膜系数αi 和空气流速u i ，整理得到努赛尔数Nu 与雷诺数Re 之间的幂函数型经验公式。
5、把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。
6、根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。
三、实验原理流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述：()w Q A t A T t αα=∆=− （1）式中 Q ——总传热速率，W ；α——对流传热膜系数，W/ m 2·K ；A——传热面积，m 2 ； T ——流体温度，K ；t w ——固体壁面温度，K 。
如果能够用实验直接测定流体温度T 和固体壁面温度t w ，,则可以根据式（1）的关系直接计算对流膜系数α ：()w Q Q A t A T t α==∆− （2）对于多数情况而言，直接测定固体壁面的温度是一件相当困难的任务，实验技术成本高且数据准确性差。
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
管内强制对流传热
对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。
由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re<2300 时，流体的流动为层流状态，当Re>10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300<Re<10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。
对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。
由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。
当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。
一般认为时，就可忽略自然对流的影响；当时，则按单纯自然对流处理，介于其间的情况称为混合对流传热。
应当指出，图4-18的对流传热规律是在流动充分发展的情况下的结论。
从第一章可知，当流体由大空间流入一圆管时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管内壁上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
通常将流动边界层及热边界层汇合于圆管中心线后的流体流动或对流传热称为已经充分发展的流动或对流传热，从进口到充分发展段之间的区域则称为入口段。
入口段的热边界层较薄，局部对流传热系数比充分发展段的高，随着入口的深入，对流传热系数逐渐降低。
如果边界层中出现湍流，则因湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，再逐渐趋向一定值，上述规律如图4-19所示。
图中为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。
对于管内强制对流，实验表明，热入口段的长度lt与管内径d之间存在以下关系层流时管壁上温度恒定（4-71a）管壁上热通量恒定（4-71b）湍流时（或40～60）（4-72）通常，工程上的对流传热主要讨论全管长上的平均对流传热系数。
当热入口段的长度远小于管长时，入口段的传热对全管长的传热影响可以忽略，总的平均对流传热系数与充分发展条件下的局部对流传热系数非常吻合。
化工原理实验思考题答案
化工原理实验思考题实验一：柏努利方程实验1． 关闭出口阀，旋转测压管小孔使其处于不同方向（垂直或正对流向），观测并记录各测压管中的液柱高度H 并回答以下问题：（1） 各测压管旋转时，液柱高度H 有无变化这一现象说明了什么这一高度的物理意义是什么答：在关闭出口阀情况下，各测压管无论如何旋转液柱高度H 无任何变化。
这一现象可通过柏努利方程得到解释：当管内流速u =0时动压头022==u H 动，流体没有运动就不存在阻力，即Σh f =0，由于流体保持静止状态也就无外功加入，既W e =0，此时该式反映流体静止状态 见（P31）。
这一液位高度的物理意义是总能量（总压头）。
（2） A 、B 、C 、D 、E 测压管内的液位是否同一高度为什么答：A 、B 、C 、D 、E 测压管内的液位在同一高度（排除测量基准和人为误差）。
这一现象说明各测压管总能量相等。
2． 当流量计阀门半开时，将测压管小孔转到垂直或正对流向，观察其的液位高度H /并回答以下问题：（1） 各H /值的物理意义是什么答：当测压管小孔转到正对流向时H /值指该测压点的冲压头H /冲；当测压管小孔转到垂直流向时H /值指该测压点的静压头H /静；两者之间的差值为动压头H /动=H /冲-H /静。
（2） 对同一测压点比较H 与H /各值之差，并分析其原因。
答：对同一测压点H ＞H /值，而上游的测压点H /值均大于下游相邻测压点H /值，原因显然是各点总能量相等的前提下减去上、下游相邻测压点之间的流体阻力损失Σh f 所致。
（3） 为什么离水槽越远H 与H /差值越大（4） 答：离水槽越远流体阻力损失Σh f 就越大，就直管阻力公式可以看出22u d l H f ⋅⋅=λ与管长l 呈正比。
3. 当流量计阀门全开时，将测压管小孔转到垂直或正对流向，观察其的液位高度H 2222d c u u =22ab u ρcd p ρab p 22u d l H f ⋅⋅=λ计算流量计阀门半开和全开A 点以及C 点所处截面流速大小。
管内强制对流传热膜系数的测定
管内强制对流传热膜系数的测定学号：2011XXXXXX 姓名：XXX 专业：食品科学与工程一、实验目的1、测定空气在圆形直管内作强制对流时的传热膜系数α1。
2、把测得的数据整理成N ＝B Re^n 形式的准数方程式，并与教材中相应公式比较。
3、掌握藉助于热电偶测量壁面温度的方法。
二、实验原理1、圆形直管内空气强制对流传热膜系数α1 的测定。
本实验系水、空气在套管换热器中进行强制对流的换热过程。
根据牛顿冷却定律：Q = α1×A1×Δt = α1×A1×（T－Tw) (1)即：α1= Q / ( A1×Δt ) [w/(m^2K)] (2)式中：α1---- 传热系数(有些教材中用符号h)；A1 ---- 换热管内表面积[m^2]；Δt --- 热流体和管壁传热温差[℃]；Q ---- 传热速率[w]，按下式求出：Q = W×Cp×(T1 - T2) [w] (3)式中：Cp ---- 空气的定压热容[J/(Kg×K)]；T1、T2 ---- 空气进出换热管的温度[K]；W ---- 空气的质量流量[Kg/s]。
W ＝C ×Sqrt ( ρ0×( V－V0 ) ) [Kg/s] (4)式中：ρ0 ---- 孔板处空气密度[Kg/m^3]；V、V0 ---- 压力传感器的读数和初读数[mv]；C----孔板流量计的校正系数。
套管换热器在某一风量W 下稳定操作，测得进出换热器的空气及换热管壁的温度等参数后，即可算出一个α1值。
若改变操作风量，即可测得不同的α1值。
2、准数方程式对于空气，管内强制对流传热膜系数的准数方程式，一般表示成：Nu =B×Re^n (5)Re = d×u×ρ/ μ＝d w / ( sμ)Nu = α1×d / λ式中：d ----- 换热管直径[m] ;s ----- 换热管截面积[m^2] ;μ------?定性温度下空气的粘度[Pa s]；λ------ 定性温度下空气的导热系数[W/(m K)]。
管内强制对流换热系数
管内强制对流换热系数管内强制对流换热系数是研究热传导过程中的一个重要参数，它描述了流体在管内的流动状态下传热的能力。
对流换热是指在流体流动过程中，流体与固体表面之间通过传导和对流的方式进行热量交换。
在工程实践中，对流换热系数的准确估算对于设计和优化热交换设备具有重要意义。
对流换热系数的计算涉及到多个因素，如流体的性质、流动速度、管道尺寸和壁面状况等。
常见的计算方法有经验公式法和数值模拟法。
其中经验公式法是根据实验数据和经验总结得出的经验公式，常用于工程实践中。
数值模拟法则通过建立数学模型，运用计算机进行模拟计算，可以更准确地预测对流换热系数。
在对流换热系数的计算中，流体的性质是一个重要因素。
流体的性质包括密度、粘度、导热系数等。
不同的流体具有不同的性质，因此对流换热系数也会有所不同。
例如，水和空气的对流换热系数相对较高，而油和气体的对流换热系数相对较低。
此外，流体的温度和压力也会对对流换热系数产生影响。
流动速度是另一个影响对流换热系数的因素。
通常情况下，流体的流动速度越大，对流换热系数也越大。
这是因为流体在高速流动时，会带走边界层内的热量，从而增加了热传递面积，提高了对流换热系数。
同时，流动速度的增加还会增加流体的湍流程度，湍流对流换热系数要高于层流。
管道尺寸也会对对流换热系数产生影响。
一般来说，管道的直径越大，对流换热系数越大。
这是因为较大的直径可以增加流体的流动空间，使流体与固体表面的接触面积增加，从而增加了热量的传递。
此外，管道的长度也会对对流换热系数产生影响，一般来说，管道长度越长，对流换热系数越小。
壁面状况是另一个影响对流换热系数的因素。
壁面的光滑度和粗糙度会影响流体在管道内的流动状态。
一般来说，光滑的壁面有利于流体的流动，从而增加了对流换热系数。
而粗糙的壁面会增加流体的阻力，使流体的流动变得困难，从而降低了对流换热系数。
总结起来，管内强制对流换热系数是描述流体在管内流动状态下传热能力的重要参数。
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
)
对流传热系数
伴性遗传与人类遗传病【母题来源一】2019年全国普通高等学校招生统一考试理综生物（全国Ⅰ卷）【母题原题】某种二倍体高等植物的性别决定类型为XY型。
该植物有宽叶和窄叶两种叶形，宽叶对窄叶为显性。
控制这对相对性状的基因（B/b）位于 X 染色体上，含有基因 b 的花粉不育。
下列叙述错误的是A．窄叶性状只能出现在雄株中，不可能出现在雌株中B．宽叶雌株与宽叶雄株杂交，子代中可能出现窄叶雄株C．宽叶雌株与窄叶雄株杂交，子代中既有雌株又有雄株D．若亲本杂交后子代雄株均为宽叶，则亲本雌株是纯合子【答案】 C【解析】 XY型性别决定的生物中，基因型XX代表雌性个体，基因型XY代表雄性个体，含有基因 b 的花粉不育即表示雄配子X b不育，而雌配子X b可育。
由于父本无法提供正常的X b配子，故雌性后代中无基因型为X b X b的个体，故窄叶性状只能出现在雄性植株中， A 正确；宽叶雌株的基因型为X B X-，宽叶雄株的基因型为X B Y，若宽叶雌株与宽叶雄株杂交，当雌株基因型为X B X b时，子代中可能会出现窄叶雄株X b Y，B 正确；宽叶雌株与窄叶雄株，宽叶雌株的基因型为X B X-，窄叶雄株的基因型为X b Y，由于雄株提供的配子中X b不可育，只有 Y 配子可育，故后代中只有雄株，不会出现雌株， C 错误；若杂交后代中雄株均为宽叶，且母本的X b 是可育的，说明母本只提供了X B配子，故该母本为宽叶纯合子， D 正确。
故选 C。
【母题来源二】2019 年全国普通高等学校招生统一考试生物（江苏卷）【母题原题】下图为某红绿色盲家族系谱图，相关基因用Bb表示。
人的 MN血型基因位于常染色体上，基X 、X因型有 3种： L M L M（ M型）、 L N L N（ N型）、 L M L N（ MN型）。
已知 I-1 、 I-3 为 M型， I-2 、 I-4 为 N型。
下列叙述正确的是A．Ⅱ -3 的基因型可能为L M L N X B X BB．Ⅱ -4 的血型可能为 M型或 MN型C．Ⅱ -2 是红绿色盲基因携带者的概率为1/2D．Ⅲ -1 携带的 X b可能来自于 I-3【答案】 AC【解析】红绿色盲为伴X 染色体隐性遗传，Y 染色体不含有其等位基因；男性的色盲基因来自于母亲，只能遗传给女儿，而女性的色盲基因既可以来自于母亲，也可以来自于父亲，既能遗传给女儿，也能遗传给儿子。
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 ⎥ ⎦。
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三、管内层流换热关联式
1.入口段关联式:齐德—泰勒（Sieder-Tate）关联式
0.14
Nuf
1.86(Ref Prf
d l
)1/
3
f w
适用的参数范围：管子处于均匀壁温
0.48
(Ref
Prf
Prf
d l
)1/
16700;
3
f w
0.14
0.0044
h Nu
d
（4）根据牛顿冷却公式计算出对流传热量。
hAt
例题： 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℃。忽略对流传热 温差的影响，试计算管内的表面传热系数。
解：冷却水的平均温度为
tf
1 15 65
2
40 C
可查得水的物性参数为：
f 0.635 W/(m·K)， f 0.659 10 6m2/s，
Prf 4.31
圆管内对流传热问题，流速1m/s，内径10mm，管长3m，水的进、出口温度分别为 15℃和65℃。计算管内的表面传热系数。
ud
Re f
f
1 0.01 0.659106
换热的入口段
换热的充分发展段
3. 强制对流传热特征数关联式
Nu f (Re,Pr)
努赛尔数 Nu hl 雷诺数 Re ul
普朗特数 Pr
a
其中:
确定流体物性参数（λ、ν、Pr 等）的温度称为定性温度；
l 称为特关联式
2
f w
9.75
2. 层流充分发展换热的 Nu 数 对于圆管：
Nu 3.66 (tw const) Nu 4.36 ( qw const)
对于其它截面，可参考相关资料。
四.总结——管内对流传热的一般步骤
（1）利用雷诺数判断流动的状态;
（2）选用合适的实验关联式;
（3）计算出努塞尔数，进一步得到表面传热系数;
1. 迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式：
Nuf 0.023Ref0.8Prfn ;
式中: 取流体平均温度作为定性温度； 取管子内径d为特征尺度； 取截面的平均流速作特征速度。
n
0 .4 0.3
(tw tf ) (tw tf )
二、湍流换热实验关联式
1. 迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式：
3. 有一外径为140mm蒸汽管道，其外侧敷设有厚度为30mm的保 温材料，保温层外侧壁温为50℃，室外空气温度为10℃，空 气以3m/s的速度横向吹过该管道，试计算单位管长上该管道 的对流散热量。 横掠圆管的对流传热问题
Nu = f ( Re , Pr )
再见！
传热学
内部流动 强制对流传热
一、管内强制对流传热流动和换热的特征
1. 管内的流动状态（采用雷诺数判断）
Re<2300 层流
Re uld
2300~104 过渡区
Re>104 湍流
2. 流动和换热的入口段及充分发展段
速度边界层
u 0 x
流动的入口段 温度边界层
流动的充分发展段 hx不再发生变化
Nuf 0.023Ref0.8Prfn ;
适用的参数范围：
n
0 .4 0.3
(tw tf ) (tw tf )
Ref
104 ;
0.7 Prf
160 ;
l d
60长直管
对于弯管
由于管道弯曲改变了流体的流动
方向，离心力的作用会在流体内产生
如图所示的二次环流，结果增加了扰
动，使对流换热得到强化。
d 对于气体： cR 1 1.77 R
对于液体：
cR
110.3
d 3
R
对于短管（考虑入口效应）
修正系数：
Cl
1
d l
0.7
考虑弯管和短管修正后的迪图斯-贝尔特关联式:
Nuf cRcl 0.023Ref0.8Prfn
1.52104
104为湍流
l/d=3/0.01>60
选用迪图斯-贝尔特关联式
Nu
0.023
Re
0.8 f
Prf0.4
Nu 0.023 1.52104 0.8 4.310.4 91.4
h f Nu 0.635 91.4 = 5804W/(m2·K)
d
0.01
5804W/(m2·K)
练习
1. 定性的画出管内层流强制对流传热的局部表面传热系数 hx 的 沿程变化。
2. 有一管壳式换热器，已知换热管的内径为17mm，单程管子的 根 数 为 50 根 ， 单 程 管 长 为 4m 。 热 水 走 管 程 ， 热 水 的 流 量 为 33t/h，热水的进、出口温度分别为55℃和45℃。试计算该换 热器管内侧的表面传热系数。