第五章 第八节——传热学课件PPT
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
s1 s1
叉排
流体外掠管束时的流动特征
换热特征
• 流体横掠管束时的对流换热与横掠单圆管不同。此时， 除管径影响对流换热表面传热系数外，管间距、管排 数和管子排列方式也会影响对流传热系数。
• 由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交替地 增加和减小，所以流体的流动速度在管间也交替地增 加和减小。
第八节 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，不会受到邻近壁面存在 的限制。这样的流动称为外部流动。
• 因此，在外部流动中存在着一个边界层以外的 区域，在那里无论是速度梯度还是温度梯度都 可以忽略。
• 本节将分别介绍横掠单圆管和管束的对流换热 的实验关联式。
0.102
0.160 0.0385 0.153
0.228
0.588
0.675
0.638 0.782 0.638
0.731
横掠管束换热的实验关联式
• 管束的定义：按照一定规律有序排列的 直径大小相同的一组管子称为管束。
• 管束排列的两种方式 （1）叉排 （2）顺排
s2 s2 d s1 s1
顺排
s2 s2 d
• 当气体横掠10排以上的管束时，其平均对流换 热表面传热系数可由下面的实验关联式计算
Nu C Rem
• 定性温度为 tr tw t f / 2
• 特征尺寸为管外径 • Re中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。 • C和n的值见表5-7。 • 公式的适用范围为 Re f 2000 40000
• 从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。在 尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数比前排 要高。且这种影响逐级增加，但到达一定的排数后， 这种影响会趋于稳定。
• 当排数较少时，叉排时的对流换热表面传热系数比顺 排要高；但当排数较多时，顺排的换热强度有可能要 高于叉排。
横掠管束换热的实验关联式
横掠单圆管换热的实验关联式
• 在工程计算中多采用平均表面传热系数。 • 此时的实验关联式为
Num C Remn Prm1/3
• 式中，C及n的值见表5－5；
•
定性温度：边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 特征尺寸：管外径；
• Re数中的特征速度为通道来流速度 u
Re 0.4~4 4 ~40 40 ~4000 4000 ~40000 40000 ~400000
表5-5 C 和 n 的值 C
0.989 0.911 0.638 0.193 0.0266
n 0.330 0.335 0.466 0.618 0.805
横掠单圆管换热的实验关联式
• 对于横掠单圆管，除了上述的实验关联式外， 邱吉尔与朋斯登提出了在整个实验范围内都可 以适用的准则方程
Nu
0.3
0.62 Re1/ 2 Pr1/3
s2 / d s1 / d
表5-7 公式 Nu C Rem 中的C和n
1.25
1.5
2.0
C
m
C
m
C
m
顺排
1.25
0.348 0.529 0.275 0.608 0.100 0.704
1.5
0.367 0.586 0.250 0.620 0.1ห้องสมุดไป่ตู้1 0.702
2
0.418 0.570 0.299 0.602 0.229 0.632
•
定性温度：边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 特征尺寸：l
• Re数中的特征速度为通道来流速度 u
表5-6 气体横掠几种非圆形截面柱体计算式中的常数
截面形状
Re
C
n
l
5103 105
l
5103 105
5103 1.95104
l
1.95104 105
l
5103 105
l
4103 1.5104
0.246
3
0.290 0.601 0.357 0.584 0.374 0.581
0.6 0.9 1 1.125 1.25 1.5 2 3
叉排
0.518 0.451 0.404
0.
0.556 0.568 0.572 0.592
0.497
0.505 0.460 0.416 0.356
0.558
0.554 0.460 0.416 0.580
0.446
0.478 0.519 0.452 0.482 0.440
0.571
0.565 0.556 0.568 0.556 0.562
3.0
C
m
0.0633 0.0678 0.198 0.286
0.725 0.744 0.648 0.608
0.213 0.636 0.401 0.581
0.518 0.522 0.488 0.449 0.421
横掠单圆管时的流动特征
• 流体横掠单圆管时是沿曲面流动， 因此沿流动方向其压力梯度不 断地发生变化。
• 大约在圆管的前半部，压力沿程降低，而在后半部压力又沿程回 升。
• 这样主流速度也作相应的变化：即前半部主流速度逐渐增加，后 半部逐渐减小。
• 在沿程压力增加的区域（即后半部），流体不能在压力的推动下 向前运动，只能依靠本身动能克服压力的增长而向前流动。
• 低雷诺数时，局部努塞尔数沿流动方向先减小 再增加，而回升点反映了绕流脱体的起点，这 是由于脱体区的扰动强化了换热。
• 高雷诺数时，局部努塞尔数沿流动方向的变化 更为复制，有两个低点；第一次回升点是由于 层流转变成湍流的原因；第二次回升则是由于 脱体的缘故。
• 演示：流体外掠单圆管时局部努塞尔数的变化
• 在靠近壁面处流体速度较小，动能小，不足以克服压力的增长而 向前流动。当壁面某一点的速度变化率为零时，其后壁面附近的 流体产生脱流现象。
• 这一点称为绕流脱体的起点（或称为分离点）。该点的位置取决 于来流雷诺数的大小。
• 之后流体产生涡流。
• 演示：流体绕圆柱体的流动特征
横掠单圆管的换热特征
• 边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特 征。
1
0.4
/
Pr
2
/
3
1/
4
1
Re 282000
5 / 8
4/5
•
此式的定性温度为边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 定型尺寸为管外径
• 适用条件为 RePr 0.2
横掠非圆形截面的柱体或管道时 对流换热的实验关联式
• 此时的实验关联式为 Num C Remn Prm1/3
• 式中，C及n的值见表5－6；
0.560 0.562 0.568 0.570 0.574
第九节 自然对流换热及其实验关联式
• 定义：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度 场的不均匀所引起的流动称为自然对流。此时的换热 称为自然对流换热。
叉排
流体外掠管束时的流动特征
换热特征
• 流体横掠管束时的对流换热与横掠单圆管不同。此时， 除管径影响对流换热表面传热系数外，管间距、管排 数和管子排列方式也会影响对流传热系数。
• 由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交替地 增加和减小，所以流体的流动速度在管间也交替地增 加和减小。
第八节 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，不会受到邻近壁面存在 的限制。这样的流动称为外部流动。
• 因此，在外部流动中存在着一个边界层以外的 区域，在那里无论是速度梯度还是温度梯度都 可以忽略。
• 本节将分别介绍横掠单圆管和管束的对流换热 的实验关联式。
0.102
0.160 0.0385 0.153
0.228
0.588
0.675
0.638 0.782 0.638
0.731
横掠管束换热的实验关联式
• 管束的定义：按照一定规律有序排列的 直径大小相同的一组管子称为管束。
• 管束排列的两种方式 （1）叉排 （2）顺排
s2 s2 d s1 s1
顺排
s2 s2 d
• 当气体横掠10排以上的管束时，其平均对流换 热表面传热系数可由下面的实验关联式计算
Nu C Rem
• 定性温度为 tr tw t f / 2
• 特征尺寸为管外径 • Re中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。 • C和n的值见表5-7。 • 公式的适用范围为 Re f 2000 40000
• 从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。在 尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数比前排 要高。且这种影响逐级增加，但到达一定的排数后， 这种影响会趋于稳定。
• 当排数较少时，叉排时的对流换热表面传热系数比顺 排要高；但当排数较多时，顺排的换热强度有可能要 高于叉排。
横掠管束换热的实验关联式
横掠单圆管换热的实验关联式
• 在工程计算中多采用平均表面传热系数。 • 此时的实验关联式为
Num C Remn Prm1/3
• 式中，C及n的值见表5－5；
•
定性温度：边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 特征尺寸：管外径；
• Re数中的特征速度为通道来流速度 u
Re 0.4~4 4 ~40 40 ~4000 4000 ~40000 40000 ~400000
表5-5 C 和 n 的值 C
0.989 0.911 0.638 0.193 0.0266
n 0.330 0.335 0.466 0.618 0.805
横掠单圆管换热的实验关联式
• 对于横掠单圆管，除了上述的实验关联式外， 邱吉尔与朋斯登提出了在整个实验范围内都可 以适用的准则方程
Nu
0.3
0.62 Re1/ 2 Pr1/3
s2 / d s1 / d
表5-7 公式 Nu C Rem 中的C和n
1.25
1.5
2.0
C
m
C
m
C
m
顺排
1.25
0.348 0.529 0.275 0.608 0.100 0.704
1.5
0.367 0.586 0.250 0.620 0.1ห้องสมุดไป่ตู้1 0.702
2
0.418 0.570 0.299 0.602 0.229 0.632
•
定性温度：边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 特征尺寸：l
• Re数中的特征速度为通道来流速度 u
表5-6 气体横掠几种非圆形截面柱体计算式中的常数
截面形状
Re
C
n
l
5103 105
l
5103 105
5103 1.95104
l
1.95104 105
l
5103 105
l
4103 1.5104
0.246
3
0.290 0.601 0.357 0.584 0.374 0.581
0.6 0.9 1 1.125 1.25 1.5 2 3
叉排
0.518 0.451 0.404
0.
0.556 0.568 0.572 0.592
0.497
0.505 0.460 0.416 0.356
0.558
0.554 0.460 0.416 0.580
0.446
0.478 0.519 0.452 0.482 0.440
0.571
0.565 0.556 0.568 0.556 0.562
3.0
C
m
0.0633 0.0678 0.198 0.286
0.725 0.744 0.648 0.608
0.213 0.636 0.401 0.581
0.518 0.522 0.488 0.449 0.421
横掠单圆管时的流动特征
• 流体横掠单圆管时是沿曲面流动， 因此沿流动方向其压力梯度不 断地发生变化。
• 大约在圆管的前半部，压力沿程降低，而在后半部压力又沿程回 升。
• 这样主流速度也作相应的变化：即前半部主流速度逐渐增加，后 半部逐渐减小。
• 在沿程压力增加的区域（即后半部），流体不能在压力的推动下 向前运动，只能依靠本身动能克服压力的增长而向前流动。
• 低雷诺数时，局部努塞尔数沿流动方向先减小 再增加，而回升点反映了绕流脱体的起点，这 是由于脱体区的扰动强化了换热。
• 高雷诺数时，局部努塞尔数沿流动方向的变化 更为复制，有两个低点；第一次回升点是由于 层流转变成湍流的原因；第二次回升则是由于 脱体的缘故。
• 演示：流体外掠单圆管时局部努塞尔数的变化
• 在靠近壁面处流体速度较小，动能小，不足以克服压力的增长而 向前流动。当壁面某一点的速度变化率为零时，其后壁面附近的 流体产生脱流现象。
• 这一点称为绕流脱体的起点（或称为分离点）。该点的位置取决 于来流雷诺数的大小。
• 之后流体产生涡流。
• 演示：流体绕圆柱体的流动特征
横掠单圆管的换热特征
• 边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特 征。
1
0.4
/
Pr
2
/
3
1/
4
1
Re 282000
5 / 8
4/5
•
此式的定性温度为边界层平均温度
tm
1 2
tw
t
• 定型尺寸为管外径
• 适用条件为 RePr 0.2
横掠非圆形截面的柱体或管道时 对流换热的实验关联式
• 此时的实验关联式为 Num C Remn Prm1/3
• 式中，C及n的值见表5－6；
0.560 0.562 0.568 0.570 0.574
第九节 自然对流换热及其实验关联式
• 定义：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度 场的不均匀所引起的流动称为自然对流。此时的换热 称为自然对流换热。