单相流体对流换热及准则关联式

um

1 f
f
udf
0

2
R2
R
rudr
0
V f
CCE
第6章 单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
6
BEFE
三、流动进口段长度 flow entry region
Lfபைடு நூலகம்
层流进口段长度
d
Lf /d≈0.05Re
紊流进口段长度 10≤(Lf /d)≤60
11
BEFE
◆图6-1以Pr=1为例标绘(即当流动达到充分发展时，换热也 进入热充分发展段)； ◆在进口处，边界层最薄，hx具有最高值，随后降低。进入 充分发展段后保持不变；
◆在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，hx将有一些回升， 并迅速趋于不变值。
入口段 充分发展段
入口段 充分发展段
0 CCE
(a)
BEFE
0
(b)
四、截面平均温度的沿程变化
由于流体沿途被加热（或冷却），tf也在发生变化。
这种变化可由热平衡关系求出
热平衡关系： 流体与管壁的换热量=流体沿管长焓值的变化
d q2Rdx cpumR2dt f
dt f 2q
dx c pum R
或 dt f 2hx (tw t f ) x
(a) 层流 入口段 充分发展段
Lf
d 可以肯定它
与Re数没 有太密切的 关系，而且
近似范围
(b)紊流入口段 充分发展段
比层流短得 多 CCE
BEFE
第6章 单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
7
6-1-2管内热边界层和换热分析
热边界层达到闭合前这一区段称为热进口段(Thermal entrance region) ，
contents
❖ 6.1 管内受迫流动换热 Forced convection in a tube
❖ 6.2 外掠圆管流动换热 Forced convection across cylinders
❖ 6.3 自然对流换热 Free convection
CCE
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流动的充分发展段
(fully developed region)速度分布定型
d
(a) 层流 入口段 充分发展段
层流进口段 紊流进口段
层流充分发展段 紊流充分发展段
Lf d
CCE BEFE
(b)紊流入口段 充分发展段
流态判断
(充分发展段)
层流： Re 2300
过渡区： 2300 Re 104 旺盛湍流： Re 104
Re umd /
截面平均速度
速度分布
(充分发展段)
Velocity profile
层流充分发展段 紊流充分发展段
u 0 x
0
二次曲线
非二次曲线
CCE
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5
BEFE
二、截面平均速度 mean velocity
实验发现
特征
x

tw( tw(
x ) t( x)tf
r,x ) (x)


0
“热充分发展段”
tw(x) t(r, x) tw(x) t f (x)
无量纲温
度对r求导
(
t r
)r R
tw t f
hx

q

(
t r
)r R
const
( tw t r tw t f
CCE
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3
BEFE
6-1-1管内流动边界层 flow boundary-layer in a tube
一、流动状况分析 流动的进口段
从进口处至流动 边界层汇合于管 中心这一段管长
(hydrodynamic entry region or developing region) Lf
Lh以后称为热充分发展段(Thermal fully developed region)
入口段 充分发展段
热进口段
入口段 充分发展段
0
CCE BEFE
(a)
0
(b)
管内热边界层和表面传热系数的变化 （a）层流 （b）紊流
一、换热进口段长度
◆常物性流体层流热进口段长度
tw=const
Lh 0.05Re Pr d
质量 udf
沿断面积分 cptudf
f
焓 c ptudf
要先知道u(r) 和t(r)两者的
分布
断面平均温度 t f

f
c ptudf c pudf

2 R2um
R
turdr
0
f
流体通过该 截面时所输 运的热量
还可通过 实验测出
CCE BEFE
全管长流体平均温度?
三、热充分发展段特点
qw=const Lh 0.07Re Pr d
Pr数非常大的油类介质， 它们的热入口段将会 很长，可达管径的数 百倍，以至于对实用的 换热设备来说，可 能直到出口也没达 到热充分发展状态（但 速度分布早已 达到充分发展状态了）。
◆紊流时的热进口段长度与Pr基本无关，较层流短 得多，为管径的10~45倍
)r R

(
t r
)r R
tw t f
const
q hx (tw t f )
常物性流体在热充分发展段 的表面传热系数保持不变
这个结论不 受流态和管 壁加热条件
限制
CCE
第6章 单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
◆流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于 Pr，当Pr >1时，流动进口段比热进口段短；当Pr <1时， 情形正相反; Pr=1时,重合。
CCE
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BEFE
二、截面平均温度
mean temperature/bulk temperature
1
BEFE
CCE
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BEFE
6.1 管内受迫流动换热
Forced convection in a tube
管内对流属于有界流动，它与无 界流动的最大区别在于，它的边界层 的形成和发展受到壁面的限制和重要 影响。它的流动和换热情况都呈现出 外部流动所不具有的一些特征。