东南大学传热学课件第五章 第七节

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《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件

《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

传热学第五版课件完整版_图文

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接触热阻的定义:
接触热阻的影响因素: 粗糙度
挤压压力 硬度匹配情形 空隙中介质的性质
减小接触热阻的措施: 表面尽量平整 增加挤压压力
两表面一软一硬 涂导热姆
第七节 二维稳态导热
应用领域:房间墙角,地下埋管,矩形保温层,短肋片
二维稳态导热微分方程: 二维稳态导热问题的研究手段:
解析法 数值法 形状因子法
第i层与第i+1层之间接触面的温度:
二、第三类边界条件
常物性时导热微分方程组如下:
根据第一类边界条件时的结果: (此时壁温tw1和tw2为未知) 与以上两个边界条件共三式变形后 相加,可消去tw1和tw2,得:
单层平壁的热流密度:
多层平壁的热流密度:
第二节 通过复合平壁的导热
应用领域:空心砖,空斗墙
并解出其通解为 :
代入边界条件求出c1和c2,并代入通解,得出特解 :
等截面直肋的温度分布:
肋端过余温度:
肋片散热量:
当考虑肋端散热时,计算肋片散热量时可采用假想肋高 代替实际肋高 l
一维温度场假定的检验 :
请同学们思考一个问题:
肋高越大,肋的散热面积越大,因而采用 增加肋高的方法可以增加肋的散热量。这 种方法在实际换热器设计中是否可行?若 可行,是否会有某些局限性?
一、等截面直肋的导热
一维简化的假设条件: 肋片的高度l远大于肋片的厚度δ, 因而厚度方向温差很小,
负内热源的处理方法—— 将y方向的对流散热量 等效转化为负内热源
断面周长: 断面面积:
进行负内热源处理后等截面直肋导热微分方程组如下:
(假定肋端绝热)
定义 :

—— 过余温度

使导热微分方程齐次化 :

传热学完整课件PPT课件

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原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的)
的作用。
说明:只研究导热现象的可宏编观辑课规件 律。
18
2 、导热的基本规律
❖ 1 )傅立叶定律 ❖ ( 1822 年,法国物理学家)
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀
恒定温度的平板,是个一维导热问题。对于
x方向上任意一个厚度为的微元层来说,根
据傅里叶定律,单位时间内通过该层的导热
可编辑课件
8
b 微电子: 电子芯片冷却
c 生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片;组 织与器官的冷冻保存
d 军 事:飞机、坦克;激光武器;弹药贮 存
e 制 冷:跨临界二氧化碳汽车空调/热泵; 高温水源热泵
f 新能源:太阳能;燃料电池
可编辑课件
9
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 )理论性、应用性强
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
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4
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一,是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容,直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如:
(1) 日常生活中的例子:
❖ 3 、研究方法
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象,而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律,认为研究对象是个连
续体,即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数,即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
可编辑课件
13
由前可知,热力学的研究方法仍是如此,但 是热力学虽然能确定传热量(稳定流能量方 程),但不能确定物体内温度分布。

传热学课件第5章

传热学课件第5章
传热学C Heat Transfer
第五章 对流换热原理
传热学C Heat Transfer
§5-1 对流换热概述
一、对流换热的定义和机理
对流换热:流体流过固体壁面时所发生的热 量传递过程。
机理:既有热对流,也有导热,不是基本的热量传 热方式。
传热学C Heat Transfer
二、牛顿冷却公式
hx— 壁面x处局 系部 W 数 ( m 表 2C ) 面
由以上得:
hx
tw
t
t y
y0,x
它揭示了对流换热问题的 本质
传热学C Heat Transfer
五、局部对流换热系数与边界层的关系
传热学C Heat Transfer
平均对流传热系数:
h 1 At
AhxtxdAx
对于长度为 l 的平板:
1. 定义:当流体流过固体壁面时, 由于流体粘性的作用,使得在固 体壁面附近存在速度发生剧烈 变化的薄层称为流动边界层或 速度边界层。
2. 速度边界层厚度d 的规定:速度等于99%主流 速度。
传热学C Heat Transfer
3. 特点:通常情况下,边界层厚度d是比壁面尺度l 小一个数量级以上的小量。 d << l
传热学C Heat Transfer
例如,对于外掠平板的对流换热现象,可以得到雷
诺数Re、普朗特数Pr和努赛尔数Nu。如果是
两个相似的外掠平板的对流换热现象,则必有:
R'eR"e Pr ' Pr" N'uN"u
根据相似的这种性质,在实验中就只需测量各准 则所包括的量,避免了测量的盲目性,解决了实验 中测量那些量的问题。
Gr gtL3 2

东南大学传热学课件第五章_第五节、第六节

东南大学传热学课件第五章_第五节、第六节

获得特征方程的相似分析法
• 相似分析法是根据相似现象的基本定义——各 个物理量的场对应成比例,对和过程有关的量 引入两个现象之间的一系列比例系数(也称为 相似倍数),然后应用描写该过程的一些数学 关系式来导出制约这些相似倍数之间的关系, 从而可得出相应的相似准则数的方法。 • 下面以对流换热现象为例来说明。
t h t y
y 0
tw t f
t tw t f
t ht w t f y
y 0
hl


t w t / t w t f y / l


y 0
换热相似的条件
• 根据相似的定义可以知道:两个彼此相似的物 理现象,它们的同名物理量场应该相似。 • 对于彼此相似的两个换热现象,它们的无量纲 温度场应用相似,即现象1与现象2的无量纲温 度场相似。 • 既然两个现象的无量纲温度场相似,那么无量 纲的温度梯度也应该相等。因此,对于两个彼 此相似的对流换热现象1和2,应该有
对准则方程式的说明
• 相似理论原则上阐述了实验结果应整理成准则 数之间的关联式,但关联式的具体形式及确定 准则数时几何尺寸(特征尺寸)和物性温度 (定性温度),则没有作明确的要求,可根据 经验来确定。 • 在对流换热实验研究中,准则方程式一般以已 定准则数的幂函数形式来表述,这时准则方程 式可表示为: Nu c Ren Pr m Nu c Ren • 特征尺寸——在换热中起决定性作用的尺寸。 • 定性温度——用来计算流体物性的温度称为定 性温度。
相似理论的三条基本定律
• 第一定律:彼此相似的现象,它们的同名准则 数必定相等。 • 第二定律:任何微分方程式所描述的物理现象 都可以用从微分方程式导出的相似准则间的函 数关系来表示。此函数关系式是在实验条件下 得到的描述该物理现象基本方程组的一个特解。 • 第三定律:凡单值性条件相似,同名定型准则 数相等的那些现象必定是相似现象。

(完整PPT)传热学

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(完整PPT)传热学contents •传热学基本概念与原理•导热现象与规律•对流换热原理及应用•辐射换热基础与特性•传热过程数值计算方法•传热学实验技术与设备•传热学在工程领域应用案例目录01传热学基本概念与原理03热辐射通过电磁波传递热量的方式,不需要介质,可在真空中传播。

01热传导物体内部或两个直接接触物体之间的热量传递,由温度梯度驱动。

02热对流流体中由于温度差异引起的热量传递,包括自然对流和强制对流。

热量传递方式传热过程及机理稳态传热系统内的温度分布不随时间变化,热量传递速率保持恒定。

非稳态传热系统内的温度分布随时间变化,热量传递速率也随时间变化。

传热机理包括导热、对流和辐射三种基本传热方式的单独作用或相互耦合作用。

生物医学工程研究生物体内的热量传递和温度调节机制,为医学诊断和治疗提供理论支持。

解决高速飞行时的高温问题,保证航空航天器的安全运行。

机械工程用于优化机械设备的散热设计,提高设备运行效率和可靠性。

能源工程用于提高能源利用效率和开发新能源技术,如太阳能、地热能等。

建筑工程在建筑设计中考虑保温、隔热和通风等因素,提高建筑能效。

传热学应用领域02导热现象与规律导热基本概念及定律导热定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。

热流密度单位时间内通过单位面积的热流量,表示热量传递的强度和方向。

热传导定律描述导热过程中热流密度与温度梯度之间关系的定律,即傅里叶定律。

导热系数影响因素材料性质不同材料的导热系数差异较大,如金属通常具有较高的导热系数,而绝缘材料则具有较低的导热系数。

温度温度对导热系数的影响因材料而异,一般情况下,随着温度的升高,导热系数会增加。

压力对于某些材料,如气体,压力的变化会对导热系数产生显著影响。

稳态与非稳态导热过程稳态导热物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。

在稳态导热过程中,热流密度和温度分布保持恒定。

非稳态导热物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。

传热学课件课件

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传热学课件引言传热学是研究热量传递规律的学科,是工程热力学和流体力学的重要分支。

在实际工程应用中,传热问题无处不在,如能源转换、化工生产、建筑环境等领域。

因此,掌握传热学的基本原理和方法,对于工程技术人员来说具有重要意义。

本文将简要介绍传热学的基本概念、原理和方法,并探讨其在工程实际中的应用。

一、传热学基本概念1.热量传递方式热量传递方式主要包括三种:导热、对流和辐射。

(1)导热:热量通过固体、液体或气体的分子碰撞传递,其传递速率与物体的导热系数、温度差和物体厚度有关。

(2)对流:热量通过流体的宏观运动传递,其传递速率与流体的流速、密度、比热容和温度差有关。

(3)辐射:热量以电磁波的形式传递,其传递速率与物体表面的温度、发射率和距离有关。

2.传热方程传热方程是描述热量传递规律的数学表达式,主要包括傅里叶定律、牛顿冷却公式和斯蒂芬-玻尔兹曼定律。

(1)傅里叶定律:描述导热过程中热量传递的规律,公式为Q=-kA(dT/dx),其中Q表示热量传递速率,k表示导热系数,A表示传热面积,dT/dx表示温度梯度。

(2)牛顿冷却公式:描述对流过程中热量传递的规律,公式为Q=hA(TwTf),其中Q表示热量传递速率,h表示对流换热系数,Tw 表示固体表面温度,Tf表示流体温度。

(3)斯蒂芬-玻尔兹曼定律:描述辐射过程中热量传递的规律,公式为Q=εσA(T^4T^4),其中Q表示热量传递速率,ε表示发射率,σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数,T表示物体表面温度。

二、传热学原理和方法1.传热问题的分类传热问题可分为稳态传热和非稳态传热两大类。

(1)稳态传热:系统内各部分温度不随时间变化,热量传递速率恒定。

(2)非稳态传热:系统内各部分温度随时间变化,热量传递速率随时间变化。

2.传热分析方法(1)解析法:通过对传热方程的求解,得到温度分布和热量传递速率。

适用于简单几何形状和边界条件的问题。

(2)数值法:采用数值离散化方法求解传热方程,适用于复杂几何形状和边界条件的问题。

2020年高中物理竞赛—传热学-第五章 对流换热:外部流动强制对流换热实验关联式等(共37张PPT)

2020年高中物理竞赛—传热学-第五章 对流换热:外部流动强制对流换热实验关联式等(共37张PPT)

第五章 对流换热
28
②对于水平空气夹层,推荐以下关联式:
Nu
0.212(Gr
Pr)1 / 4,
Gr
1 104
~
4.6 105
Nu
0.061(Gr
Pr)1/ 3,
Gr
4.6 105
式中:定性温度均为 (tw 1 tw 2 )/ 2,
长度均为 。
Re 数中的特征
对竖空气夹层,H / 的实验验证范围为
❖ 参照上图的坐标系,对动量方程进行简化。
❖ 在 x 方向, Fx g ,并略去二阶导数。
❖ 由于在薄层外 u v 0 ,从上式可推得
u u x
v
u y
g
1 dp dx
Hale Waihona Puke 2u y 2dp dx
g
第五章 对流换热
17
将此关系带入上式得
u u x
v
u y
g
(
)
2u y 2
引入体积膨胀系数 :
35
20.比拟和相似之间有什么联系和区别? 21.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法. 22.使用定理推导准则关系式的基本方法. 23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义. 24.在有壁面换热条件时, 管内流体速度分布的变化特点. 25.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法.如何确定
常数C和n的值见下表。
第五章 对流换热
22
注:竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下
情况:
d
35
H GrH1 / 4
第五章 对流换热
23
习惯上,对于常热流边界条件下的自然对流,往往采 用下面方便的专用形式:

2024年度传热学基本知识ppt课件

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灰体辐射
灰体是指能够吸收所有波长的辐射能 ,但吸收率小于1的物体。灰体辐射 除了与温度有关外,还与灰体的发射 率有关。
17
辐射换热计算方法
斯忒藩-玻尔兹曼定律
基尔霍夫定律
用于计算黑体辐射的总能量,公式为 E=σT^4,其中σ为斯忒藩-玻尔兹曼 常数,T为黑体的热力学温度。
用于计算灰体的发射率与吸收率之间 的关系,公式为ε=α,其中ε为发射率 ,α为吸收率。
流体的流动状态(层流 或湍流)对对流换热系 数有显著影响。湍流状 态下的对流换热系数通 常比层流状态下高。
温度梯度越大,对流换 热系数越高。因为较大 的温度梯度会导致流体 内部产生更强烈的密度 差异和流动。
14
固体壁面的形状、粗糙 度以及表面条件(如氧 化、涂层等)也会影响 对流换热系数。
04
热辐射基本知识
25
热流密度测量技术
热流计法
通过测量热流计两端的温 差和通过的热量来计算热 流密度。
2024/3/23
热阻法
在已知热阻的情况下,通 过测量物体两端的温差来 计算热流密度。
热电偶法
利用热电偶测量物体表面 的温度梯度,从而计算得 到热流密度。
26
07
传热学在工程领域应用案例
2024/3/23
27
航空航天领域应用案例
2024/3/23
13
对流换热系数及其影响因素
对流换热系数定义
流体物性
流动状态
温度梯度
固体壁面条件
对流换热系数是描述热 对流过程中热量传递速 率的重要参数。它表示 单位时间内、单位面积 上流体与固体壁面之间 传递的热量与两者温差 之比。
2024/3/23
流体的密度、粘度、导 热系数等物性参数会影 响对流换热系数。一般 来说,密度和导热系数 较大的流体具有更高的 对流换热系数。

传热学完整课件PPT课件

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( 1 )稳态传热过程; ( 2 )非稳态传热过程。 1 )稳态传热过程(定常过程)
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递 过程均称稳态传热过程。) 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化
的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时
的热传递过程属稳态传热过程;而在启动、停 机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热 过程。
.
❖ 3 )教育思想发生了本质性的变化 ❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面, 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题,对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
.
❖ 2 、研究对象
第一章


.
§1-0 概 述
一、基本概念 ❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差,就有热量从物
体的高温部分传向低温部分; ❖ 2)物体之间存在温差时,热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
.
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系,热量传递过程 可分为两类:
❖ ( 3 )非导电固体:导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的,即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
.
❖( 4 )液体的导热机理:存在两种不同的 观点:第一种观点类似于气体,只是复杂些, 因液体分子的间距较近,分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大;第二种观点类似于非 导电固体,主要依靠弹性波(晶格的振动, 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的) 的作用。
.
b 微电子: 电子芯片冷却 c 生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片;组 织与器官的冷冻保存 d 军 事:飞机、坦克;激光武器;弹药贮 存 e 制 冷:跨临界二氧化碳汽车空调/热泵; 高温水源热泵 f 新能源:太阳能;燃料电池

东南大学传热学课件第五章 第七节

东南大学传热学课件第五章 第七节

入口段的长度
0.05RePr d
• 湍流时如果 l / d 60 可以不考虑入口段的影响
不均匀无性场的影响
• 在有换热的条件下,管子同一截面上的温度分 布是不均匀的。因为温度会影响粘度,所以截 面上的速度分布与等温流动时的速度分布就有 所不同。 • 演示:不均匀物性场对温度分布的影响 • 不均匀物性场对换热的影响,视流体是液体还 是气体、流体被加热还是被冷却以及温差的大 小而不同。
齐德-泰特公式
• 公式形式 • 定性温度:除w 按壁温外,其余 为流体平均温度 • 特征尺寸:管内 径 • 注意问题
Nu f 0.027 Re Pr
0.8 f
1/ 3 f
f w
0.14
Re f 104 , Prf 0.7 16700
(1)适用于湍流 (2)长管 (3)直管
流动状态
• 由流体力学的知识已知,当流体在管内流动时,其流 动呈现不同的流动状态——层流和湍流,其分界点的 临界雷诺数为Re=2300。当雷诺数大于10 000后为旺盛 湍流区,而一般认为2300<Re<10 000的区域为过渡区。 • 流体处于不同的流动状态时,其流动规律不同,因此 其换热情况也不同。 • 层流时,流体分层流动,换热主要依靠流体的导热。 • 湍流时,在层流底层流体分层流动,换热主要靠流体 导热,而在湍流核心,流体剧烈扰动,换热主要靠流 体微团的对流。 • 所以在不同的流动状态下有各自对应的换热准则方程 式。
Re f 2300 106 , Prf 0.6 105
d 2 / 3 Nu f 1 ct 2/3 1 12.7 f / 8 Pr f 1 l
f / 8 Re 100 Prf

东南大学传热学课件(导热部分总结)页PPT文档

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采用方案(2)时,每米管长 的散热损失为
比较两种情况下的散热损失, 可知从减少散热的观点看, 方案(1)较方案(2)好, 即保温性能好的材料放在里 边时散热损失小。
t
q
l1
1
ln
d 2

1
ln
d 3
2 d 2 d
a
1
b
2

t
t
1
2

1 0.04
ln
60 30

1 0.1
ln
柱坐标系
t 2t 1t 12t 2t
ar2rrr22z2c
球坐标系 t a 1 r 2 ( r r 2 t) r 2 s 1 in s in t r 2 s i 1 n 2 2 t2 c
了解非稳态导热过程的特点,掌握常物性第三类边界条件下无限 大平壁内非稳态温度场的计算方法,理解傅里叶数的定义,理解 非稳态导热过程中的正规状况;了解非稳态导热的诺谟图及平壁 内温度分布与毕渥数的关系。
掌握分析非稳态导热的集总参数法,掌握集总参数法计算非稳态 导热过程,理解时间常数的概念,了解集总参数法在工程中的应 用。
例题的解
解:根据要求将问题离散,并给节点
标号;
用热平衡的方法建立各节点的节
0
1
2
3
点方程式;
节点1
t 0 t 1 iA t 2 i t 1 iA htA ti A x t 1 i 1 c t 1 i
x
x
Lf 1

节点2
t 1 i t 2 iA t 3 i t 2 iA htA ti A x t 2 i 1 c t 2 i

传热学第五章对流传热理论基础课件

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

东南大学传热学第五章 第一节ppt课件

东南大学传热学第五章 第一节ppt课件
.
流体物理性质对换热的影响
• 流体的物理性质对于对流换热有很大的影响。由于对 流换热是导热和流动着的流体微团携带热量的综合作 用,因此对流换热强度与反映流体导热能力的导热系 数λ、反映流体携带热量能力的密度ρ和比热容有关。 流体粘度η(或运动粘度ν)的变化会引起雷诺数的 变化,从而影响流体流态和流动边界层的厚度。体积 膨胀系数影响自然对流时浮升力的大小和边界层内的 温度分布。因此,流体的这些物性值也都对换热有影 响。
• 一般而言,流体导热系数增加、热容量增加时,对流 换热强度增加;而流体粘度增加时,对流换热强度会 减小。
.
对流换热的分类



Hale Waihona Puke 流大有空 限
间 空
自 间
然 自
对 然
流 对










迫 合
对 对
流 流
内 部 流 动




园 管 内 强 迫 对 流 换 热








• 对流换热现象是生活和工程中常见的热量传递 现象
.
影响对流换热的因素
• 流体流动的起因 • 流体有无相变 • 流体的流动状态 • 换热表面的几何因素 • 流体的物理性质
.
流动起因对换热的影响
• 由于流动起因的不同,流动可以分为自然流动和强迫 流动,与之相对应的换热可分为自然对流换热和强迫 对流换热。
.
第一节 对流换热概说
• 对流换热的概念 • 影响对流换热的因素 • 对流换热的分类 • 研究对流换热的方法 • 对流换热表面传热系数与温度场的关系
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cr 1 1.77 d R
3
d cr 1 10.3 R
• 演示:二次环流
管内湍流换热实验关联式
迪图斯 — 贝尔特公式 齐德 — 泰特公式 实验关联式 米海耶夫公式 格尼林斯公式
迪图斯-贝尔特公式
• 公式形式 • 定性温度 • 特征尺寸:管内径 • 注意问题 (1)适用于湍流, 实验范围为 (2)适用于长管 (3)直管 (4)适应于流体与 壁面有中等温差的 场合
格尼林斯基公式
• 公式的形式 • 定性温度:流 0.11 体的平均温度; Pr f Pr f 0.05 20 对于液体 ct , • 定型尺寸:管 Prw Prw 内径; 0.45 • 注意的问题: Tf Tf 对于气体 ct , 0.05 1.5 (1)适用范围 Tw Tw (2)直管 2 (3)简化 达西阻力系数 f 1.82lgRe1.64
入口段的影响
• 当流体从大空间进入一根管子时,流动边界层有一个 从零开始增长直到汇合于管子中心线的过程。类似地, 当流体与管壁之间有热交换时,管子壁面上的热边界 层也有一个从零开始增长直到汇合于管子中心线的过 程。当流动边界层和热边界层汇合于管子中心线后, 称流动或换热已经充分发展,此后的换热强度将保持 不变。从进口到充分发展段之间的区域称为入口段。 • 入口段的热边界层较薄,局部表面传热系数比充分发 展段要大,且沿着主流方向逐渐减小。 • 演示:层流流动时入口段对换热的影响 • 演示:湍流流动时入口段对换热的影响
Nu f 0.023Re Pr
0.8 f
n f
流体被加热时,即tw t f , n=0.4 n 流体被冷却时,即tw t f , n 0.3
1 ' " t f t t 2
Re f 104 1.2 105 , Prf 0.7 120
l / d 60
齐德-泰特公式
• 公式形式 • 定性温度:除w 按壁温外,其余 为流体平均温度 • 特征尺寸:管内 径 • 注意问题
Nu f 0.027 Re Pr
0.8 f
1/ 3 f
f w
0.14
Re f 104 , Prf 0.7 16700
(1)适用于湍流 (2)长管 (3)直管
表5-4 环形空间内层流充分发展对流换热的努塞尔数 (一侧壁面绝热,另一侧壁面等温)
内外径之比 内壁 外壁
di / d 0
0 0.05 0.1 0.25 0.5 1.00
Nui
/ 17.46 11.56 7.37 5.74 4.86
Nu0
3.66 4.06 4.11 4.23 4.43 4.86
层流充分发展段换热的特点
0.45
• 对于液体,可简化为
d 2 / 3 Pr f Nu f 0.012 Re0.87 280 Pr f0.4 1 f l Prw
1.5 Pr f 500, 0.05 Pr f Prw 20, 2300 Re 106
f Re f P rf P rf 0.48 16700 , 0.0044 9.75, l/d w

1/ 3
f w
0.14
2
对流换热实验关联式的适用条件
应当指出,上述管槽内层流及湍流换热的准则 方程只适用于管槽本身静止的情形。在工程技 术设备中还会遇到管道本身是旋转的情形,例 如大型发电机旋转绕组冷却通道中的换热,现 代燃气轮机叶片内冷通道中的换热都属于这种 类型。通道的旋转又可分为通道轴线与旋转轴 线平行及与旋转轴线垂直两种类型。通道旋转 时,由于哥氏力及离心(向心)力的作用引起 二次环流,加强了流体间的混合,使对流换热 强化,同时流动阻力也增加。这时如果应用上 述关联式来进行计算,得出的结果就偏于保守。
0.11
对上述关联式的说明
• 认识一个复杂的物理现象往往要经历长时间的探索,在对流换热 研究的发展过程中曾先后提出了数以十计的关联式,这里只是有 代表性地介绍了4个准则方程。其中迪图斯-贝尔特方程虽是1930 年提出的,但因其形式简单、使用方便而又能满足大多数工程计 算的要求,目前仍使用甚广。 • 前三个准则方程式的形式比较简单,但与得出这些关联式之间的 实验数据的最大偏差可以达到25% ,甚至更多。1976年提出的 格林斯基公式要好得多。在该式所依据的800个实验数据中,其 90%与关联式的偏差在20% 以内。但采用上述计算式时,只要 在实验验证的范围内,计算结果一般能满足工程需求。 • 上述前三个方程式都是对旺盛的湍流得出的,如果要用它们计算 的过渡区中的对流换热,则会得出偏高的结果。这时可以使用最 后一个关联式计算。 • 对于弯曲管内的对流换热计算,可先利用上述直管公式计算,然 后其结果再乘以弯曲管修正系数。 • 对于短管或非圆管,可采用同样的办法。即先按上面介绍的关联 式进行计算,再将计算结果乘以相应的修正系数。
管内层流换热实验关联式
槽道内层流充分发展对流换热的理论分析工作 做的比较充分,已有许多结果可供选用。 表5-3与5-4中给出了一些代表性的结果。
表5-3 不同界面形状的管槽内层流充分发展段的努塞尔数 界面形状
Nu hde /
ud f Re Re e
均匀热流 正三角形 正方形 正六边形 3.11 3.61 4.00
d 2 / 3 T f Nu f 0.0214 Re0.8 100 Pr f0.4 1 f l Tw Tf 0.6 Pr f 1.5, 0.5 1.5, 2300 Re 106 Tw
Re f 2300 106 , Prf 0.6 105
d 2 / 3 Nu f 1 ct 2/3 1 12.7 f / 8 Pr f 1 l
f / 8 Re 100 Prf
格尼林斯基公式的简化形式
• 对于气体,可简化为
槽道内对流换热目前的研究动态
自20世纪80年代初期开始,微细通道内的流动 与换热受到重视。实验研究表明,在同样条件 下微细通道内的换热明显优于常规通道内的换 热,因此微细通道内的换热近年来成为传热学 研究的重要前沿课题之一,并已经被应用于微 电子、微型热交换器、微型机械冷却等高新技 术领域。微通道(一般在1mm20m左右)内的 对流换热不同于常规尺寸( 12mm以上通道) 通道内的换热的原因很多,如表面粗糙度的影 响、气体分子平均自由程与通道尺寸之比的影 响等等。这些影响的机理目前还在研究阶段, 可查阅相关的资料
均匀壁温 2.47 2.98 3.34
53 57 60.22

长方形 b/a=2 长方形 b/a=3 长方形 b/a=4 长方形 b/a=8 长方形 b/a=
4.36 4.12
4.79 5.33 6.49 8.23
3.66 3.39
3.96 4.44 5.60 7.54
64 62
69 73 82 96
非圆形截面的槽道
• 当流体在非圆形截面的槽道内进行对流换热时,作为 工程处理的一种方法可以用当量直径作为特征尺寸。 • 当量直径可按下式计算 4 Ac de p • 这里 Ac 是槽道的横截面积,P 是湿周长,即槽道与流 体接触面的长度 • 应当指出,对于长方形截面这类通道,采用当量直径 作为特征尺寸时,可以取得满意的结果;但当截面上 出现尖角的流动区域时,应用当量直径的方法会导致 较大的误差。
l / d 60
米海耶夫公式
• 公式形式 0.25 Prw 按 Pr f • 定性温度:除 0.8 0.43 Nu f 0.021Re f Pr f 壁温外,其余按流 Prw 体平均温度; • 定型尺寸:管内径 Re f 104 1.75106 , Prf 0.6 700 • 注意的问题 (1)适用于湍流 (2)长管 l / d 50 (3)直管
入口段的长度
• 层流时入口段的长度由下式确定
l 0.05RePr d
• 湍流时如果 l / d 60 可以不考虑入口段的影响
不均匀无性场的影响
• 在有换热的条件下,管子同一截面上的温度分 布是不均匀的。因为温度会影响粘度,所以截 面上的速度分布与等温流动时的速度分布就有 所不同。 • 演示:不均匀物性场对温度分布的影响 • 不均匀物性场对换热的影响,视流体是液体还 是气体、流体被加热还是被冷却以及温差的大 小而不同。
流动状态
• 由流的流动状态——层流和湍流,其分界点的 临界雷诺数为Re=2300。当雷诺数大于10 000后为旺盛 湍流区,而一般认为2300<Re<10 000的区域为过渡区。 • 流体处于不同的流动状态时,其流动规律不同,因此 其换热情况也不同。 • 层流时,流体分层流动,换热主要依靠流体的导热。 • 湍流时,在层流底层流体分层流动,换热主要靠流体 导热,而在湍流核心,流体剧烈扰动,换热主要靠流 体微团的对流。 • 所以在不同的流动状态下有各自对应的换热准则方程 式。
层流对流换热实验关联式
• 实际工程换热设备中,层流时的换热常常处于入口段 的范围。对于这种情形,推荐采用下列齐德-泰特公 式来计算长为 l 的管道的平均Nu 数
Re f Pr f f Nu 1.86 l / d w
1/ 3
0.14
• 此式的定性温度为流体的平均温度;特征尺寸为管内 径;实验验证范围为如下,且管子处于均匀壁温。
第七节 内部强制对流换热 实验关系式
管槽内强制对流换热的计算与一系列涉 及流动和换热的条件有关。因此,本节 先来简要讨论这些因素对流动或换热的 影响,然后再来介绍湍流和层流时的对 流换热计算表达式。
管槽内强制对流流动和换热的特征
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