上海交通大学传热学第6章

第六章 单相对流传热的实验关联 式
27
1 自然对流现象及问题的提出
y
裸露球 头
x
前锥 后锥
5 2400s 时温度速度矢量 图6 图 2400s 时温度分布云图
第六章 单相对流传热的实验关联 式
贮箱表 面 17C
卫星
圆柱段
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2 自然对流换热的特点 (1) 驱动力
T1
Unstable fluid circulation
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作业： 6-1、6-4
6-8、6-11 6-12、6-19
6-22 下周一交作业
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第六章 单相对流传热的实验关联式 6-1 相似原理与量纲分析
6-2 相似原理的应用 6-3 内部强制对流传热的实验关联式 6-4 外部强制对流传热 6-5 大空间与有限空间内自然对流传热 的实验关联式 6-6 射流冲击传热的实验关联式
2300 Re f 106 ; 0.6 Prf 105
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
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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
Quick Review：
6-2 相似原理的应用
1、指导实验测量； 2、模化实验，模化实验的过程？ 3、指导实验数据的整理
6-3
内部强制对流传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联 式
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第六章 单相对流传热的实验关联式 6-1 相似原理与量纲分析
6-2 相似原理的应用 6-3 内部强制对流传热的实验关联式 6-4 外部强制对流传热 6-5 大空间与有限空间内自然对流传热 的实验关联式 6-6 射流冲击传热的实验关联式
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（2）格尼林斯基（Gnielinski）关联式：
L u 2 p f de 2
d 2 3 Nu f 1 ct 23 1 12.7 f 8 Prf 1 l
f 8( Re f 1000) Prf


液体：
Pr f ct Pr w
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
6
6.3.1 管槽内强制对流流动与换热的一些特点
4、特征速度——取截面的平均流速 5、定性温度——取进出口截面的平均温度
6、对数平均温差——计算总的传热量时，牛顿冷却定律为
hm At m
4
6.3.1 管槽内强制对流流动与换热的一些特点
2、入口段和充分发展段
管内流动局部表面传热系数hx的变化 (1)层流;(2)湍流
l 层流： 0.05Re Pr ； d
lt 湍流 : 60 d
5
研究方法：首先给出充分发展段的关联式，然后再引入入 口效应的修正
6.3.1 管槽内强制对流流动与换热的一些特点
b 温度分布 如图所示
Tw
T
g x u v y
问：如果Tw<T，则速度方向如何？
第六章 单相对流传热的实验关联 式
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c 流态和局部对流换热系数hx
• 自然对流亦有层流和湍流之 分，与强制对流换热不同的 是，此时，层流与湍流的判 据不再是 Re ，而是 Gr ，并根 据换热表面的形状和位置的 不同而不同。 • 层流时，换热热阻主要取决 于边界层的厚度。
第六章 单相对流传热的实验关联 式 19
§6-4 外部强制对流传热
如右图所示，可以归纳外部 流动的定义?
本节以横掠单管、管束及球体 为例
6.4.1 流体横掠单管的实验结果
(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
第六章 单相对流传热的实验关联 式 20
(4) 当Pr < 0.6时，自己看p.249下
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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) 对于等截面直通道，充分发展段的Nu与Re和Pr无关
(3) 层流中当量直径仅是一个参数，不用它来统一不同截面通道的换热计算的表达 式
0.25
定性温度为来流温度，特征长 度为球体直径
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第六章 单相对流传热的实验关联 式
2 横掠管束换热实验关联式
概念：叉排和顺排
影响横掠管束对流换热的因素：Re, Pr,叉排和顺排, 管 间距(s1 和s2)；管排数，见书中的图 研究思路：首先研究16排以上管束的对流换热系数， 然后加入修正系数对之进行修正，茹卡乌斯卡斯总结 出了一套流体外掠管束的公式，见表6-7和6-8，对于小 于16排的管束，则采用表6-9中的修正系数对表6-7和表 6-8中的公式进行修正即

0.11
Pr f 0 . 05 ~ 20 Pr w
气体：
Tf ct T w
0.45
Tf 0 . 5 ~ 1 . 5 T w
f 为管内湍流流动的达尔西阻力系数 适用的参数范围：
f (1.82lg Re f 1.64) 2
2
§6-3 内部强制对流传热的实验关联式
内部强制对流在工程上 有大量应用： 暖气管道、各类热水及 蒸汽管道、换热器等
3
6.3.1 管槽内强制对流流动与换热的一些特点
1、流动状态
层流、湍流；临界雷诺数 Rec=2300
Re
um d

2300 — — 层流区
Re （2300， 10 4） — — 过渡区 Re 10 4 — — 湍流区
式中，C和n的值见表6－5(圆管)和表6－6(非圆形截面)，定性温 度为边界层内的平均温度 tm
t m (t w t ) 2
特征长度为管外径；Re中的特征速度为通道来流速度 u
可见，上面公式虽然形式上非常简单，但是，需要分段考虑，
不用分段的统一公式如下（丘吉尔-朋斯登公式）：
45
0.62 Re1 2 Pr1 3 Nu 0.3 [1 (0.4 / Pr)2 3 ]1 4
1
(x)
Stable
T(x) 2 T2
第六章 单相对流传热的实验关联 式
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(2) 边界层 —— 以热竖壁的自然对流为例
Tw T
u(x,y)
a 速度分布 当 y : u = 0, T = T 当 y 0 : u = 0, T = Tw 因此，速度u在中间具有一个最大 值，即呈现两头小，中间大的分布。
h n h
第六章 单相对流传热的实验关联 式 25
第六章 单相对流传热的实验关联式 6-1 相似原理与量纲分析
6-2 相似原理的应用 6-3 内部强制对流传热的实验关联式 6-4 外部强制对流传热 6-5 大空间与有限空间内自然对流传热 的实验关联式 6-6 射流冲击传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联 式 26
（1）入口效应：入口段的 h 比充分发展段的 h 大
通常计算湍流的平均表面传热系数的经验 公式由L/d >60的长管实验数据综合得到的 对于L/d <60短管，应进行修正：
h短管 h公式 Cl d Cl 1 L
0.7
9
（2）热物性
对于液体：主要是粘性随温度而变化
t
适用的参数范围：
0.14
d 1/ 3 f Re f 2300; 0.48 Prf 16700; (Re f Pr f l ) w
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
0.14
2
微尺度换热简介：空间微尺度，时间微尺度和结构微尺度
换热计算时,先计算Re判断流态，再选用公式
（1）迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式：
.8 m Nu f 0.023 Re0 Pr f f ;
适用的参数范围：10 4 Re f 1.2 105 ; 0.7 Prf 120; 定性温度tf：进出口截面流体平均温度的算术平均值；
6-5 大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式
1 自然对流现象及问题的提出 2 自然对流换热的特点 (1) 驱动力 (2) 边界层
a b c d 速度分布 温度分布 流态和局部对流换热系数hx 相关的准则数
3 自然对流换热的分类 4 大空间自然对流换热的实验关联式 5 有限空间自然对流换热的实验关联式
(4) 表6－2、6－3和6-4分别给出了管槽内和环形空间内的层流充分发展段的Nu
(5) 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
16
d 1/ 3 f Nu f 1.86(Re f Pr f ) l w
0.4 m 0.3
(t w t f ) (t w t f )
l 60 d
特征长度：管内径d
评价：由于没有考虑物性的影响，误差大；适用于壁面与流体温差 不很大(中等以下)
t 50 C气体 ；t 20 C水；t 10 C油
8
7 影响对流换热的几个因素
(3) 绕流脱体的 产生过程
Stagnation point
Separation point
Adverse pressure gradient P
Favorable pressure gradient
P 0 x
x
0
第六章 单相对流传热的实验关联 式
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(4) 脱体的位置：取决于Re，即：
n 13 Num C Rem Prm
t 15.5 ~ 982C t 21 ~ 1046 C w Valid for: 0.7 Prm 500 5 0.4 Rem 4 10
第六章 单相对流传热的实验关联 式 23
t 是流体与壁面的温差。 对于等热流密度条件，充分发展段的 t 是一个定值，但对于恒壁温
hm:整个管子的平均对流换热系数， 条件，则需要采用对数平均温差
t m
t f t f t w t f ln t w t f
7
6.3.2 管内湍流强制对流换热实验关联式
Tf ct T w ct 1
n
0.5
(c)
液体：
f ct w
n 0.11 液体被加热时 n 0.25 液体被冷却时
式中 f 和 w 分别是按流体平均温度及壁面温度下的动力粘度
11
（3）弯管效应
离心力
二次环流
Re 10时，不产生脱体 10 Re 1.5 105时，流动是层流，产生在80～85 Re 1.5 105时，流动是湍流，产生在140左右
第六章 单相对流传热的实验关联 式
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(5) 外掠单管的当地对流换 热系数的变化 影响外掠单管流动换热的因素， 除了以前各项外，还要考虑绕 流脱体的影响，如右图所示 (6) 平均表面传热系数，推荐 采用分段幂次关联式：
Re 5 8 1 ( ) 282000
定性温度仍为 tm (t w t ) 2 ，适用条件RePr〉0.2
对于流体外掠球体时，可以采用下面公式来计算Nu
Nu 2 (0.4 Re1 2 0.06 Re 2 3 ) Pr 0.4 w
对于气体：除了粘性，还有密度 和热导率等
t ， ，
其他条件相同的情况下，液体被加热时的 表面传热系数（高于 还是 低于）液体被冷 却时的值
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当温度超过以上推荐值时，则可以采用下面修正 给迪图斯-贝尔特关联式加一个修正系数 ct
(a) (b)
气体被加热时： 气体被冷却时：
换热增强
修正系数： 气体：
C R 1 1.77d R
液体： C R 1 10.3d R
R — 螺旋管曲率半径[m]; d — 管直径[m]
3
12
（4）管壁粗糙度的影响
粗糙管：铸造管、冷拔管等 层流：影响不大
湍流：粗糙度 >层流底层厚度 时: 换热增强 粗糙度 <层流底层厚度 时: 影响不大 有时利用粗糙表面强化换 热—强化表面