传热学-第六章

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传热学chapter6

传热学chapter6

第六章单相流体传热特征数关联式6-1 管内强迫对流传热6-2 外掠物体时的强迫对流换热6-3 自然对流传热6-1 管内强迫对流传热1. 管内的流动状态2200≤Re 层流 1022004<<Re 过渡区104≥Re 湍流νudRe =采用雷诺数判断一概述2. 流动和换热的入口段及充分发展段层流:湍流:05.0/PrRedl≈60/≤dl流动入口段长度l的确定3. 局部表面传热系数h x的变化二、湍流换热实验关联式1. 迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter )关联式:⎩⎨⎧<>==)( 3.0)( 4.0 ;023.0f w f w f8.0f f t t t t n Pr Re Nu n 适用的参数范围:60 ; 1607.0 ; 10f 4f ≥≤≤≥d l Pr Re 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。

气体:℃50<∆t 水:℃30<∆t 油:℃10<∆t2. 迪图斯-贝尔特关联式应用范围的扩展(1)温差超过推荐的幅度值对于液体:主要是粘性随温度而变化。

对于气体:除了粘性,还有密度和导热系数等。

当温差超过推荐的幅度值后,流体热物性将发生变化,从而对换热产生影响。

修正方法:nn n Pr Pr c T T c c ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=w f t w f t w f t ,或,或ηη(2)非圆形截面通道对于方形、椭圆形、环形等形状的截面情况,可以用当量直径作为特征尺度从而应用以上的准则方程。

PA d c e 4 式中:A c 对为槽道的流动截面积,P 为润湿周长。

(3)对于短管(考虑入口效应)对于较短的管子及常见的尖角入口,推荐以下的修正系数:7.01⎪⎭⎫⎝⎛+=l d C l nl t Pr Re c c Nu f8.0f f 023.0=考虑温度和短管修正后的迪图斯-贝尔特关联式:(4)对于弯管的修正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。

传热学第六章

传热学第六章

6. 对流换热基础理论6.1 知识结构1. 对流换热的特点;2. 换热系数h 及其影响因素; 3. 对流换热问题的数学描述:(1) 假设:不可压缩牛顿型流体,常物性,无内热源,忽略粘性耗散; (2) 方程组(换热、能量、动量、质量)各项物理涵义;(3) 平板层流强制对流的精确解(边界层理论,数量级分析简化); (4) 平板层流强制对流的近似解(边界层理论,边界层积分)。

4. 实验求解方法: (1) 相似原理相似性质:彼此相似的现象,其同名准则必定相等。

相似判据:同类现象,单值性条件相似,同名已定准则相等,则现象相似。

相似解:实验关联式(准则方程式)。

(2) 准则确定方法:方程分析法、量纲分析法。

(3) 实验数据处理:误差分析,作图法求系数,数据回归。

(4) 实验关联式应用条件:适用范围,定性温度,特征尺度,特征流速,修正系数(入口、弯道、特性)。

5. 对流换热中常用准则(Nu 、Re 、Gr 、Pr )的定义式及其物理涵义。

6.2 重点内容剖析6.2.1 概述对流换热——流体与固体壁面之间的热交换。

t h q t hA ∆=⇒∆=Φ…………(h 的定义式) (6-1) 一、任务求取 h=f (流体、物性、流态、换热面形状等)的具体表达式 二、思路(对流换热量=附壁薄层导热量)()t A h t t A h yt Ax w x y ∆=-=∂∂-=Φ∞=0λ (6-2)()x y x ytt h 0=∂∂∆-=⇒λ (6-3)式中:h x —— 局部表面传热系数λ —— 流体导热系数Δt —— 流体与壁面传热温差求取表面传热系数的问题←求取附面层温度变化率←求取流体温度场三、研究方法1·理论解——建立微分方程组→求解2·实验解—— 相似原理,量纲分析→实验准则→实验关联式四、影响对流换热的因素1· 流动的动力(1) 自然对流——由于流体各部分密度不同而引起的流动,其流动强度与受热不均匀程度、流体性质和空间大小及位置有关。

传热学第六章对流换热

传热学第六章对流换热

6个未知量::速度 u、v、w;温度 t;压力 p;对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒: ——描述流体温度场 假设:(1)流体的热物性均为常量,流体不做功 (2)无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量:Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况:
在d时间内, 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内, 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内, 微元体中流体 温度改变了(t / ) d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2+ 2 2 x y z c x y z
boundary layer)
由于粘性作用,流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低; 在贴壁处被滞止,处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区:边界层区与主流区 边界层区:流体的粘性作用起主导作用
主流区:速度梯度为0,τ=0;可视为无粘性理想流体

u , 牛顿粘性定律 y
2)热边界层(Thermal boundary layer) 热边界层:当壁面与流体间有温差时,会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t (温度边 界层):过余温度(t -tw ) 为来流过余温度(tf - tw ) 的99%处定义为t的外边 界

传热学:第六章 热辐射及辐射传热

传热学:第六章 热辐射及辐射传热

本章总说明
❖ 物体的辐射特性包含发射特性和吸收特性 ❖ 课程中提到的温度包括两个: ❖ (1)工业高温,小于2000K——红外辐射 ❖ (2)太阳高温,近6000K——太阳辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射
❖ 辐射——物体向外界以电磁波的方式发射携带 能量的粒子的过程
❖ 宏观-辐射是连续的电磁波传递能量的过程 ❖ 微观-辐射是不连续的光子传递能量的过程 ❖ 电磁波的本质是具有一定能量的光子(粒子),
❖ 引入立体角的目的是衡量表面辐射的方向特性 ❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规
律只有对不同方位中相同的立体角来比较才有意 义
❖空间方位不同,可 以见到的辐射面积是 不同的
❖——表面的法线方 向最大
❖——切线方向最小,为零
❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规 律只有在相同的辐射面积下来比较才有意义
❖ 几何上,“角”反映了在空间某一方向所占区域 的大小
❖ 平面几何中,用平面角表示在平面上所占区域的 大小
❖ 单位“弧度”
❖ 类似地,为了表示物体在三维空间中某一方向所 占空间的大小,引入“立体角”的概念
❖ 立体角(solid angle):球面面积As与球面半径 r2之比
❖ 单位:sr
As r2
❖ 波长不同,特性不同:
❖ ——短波的γ射线、X射线等,高能物理学家和
核工程师更感兴趣 ❖ ——波长在1mm-1m的电磁波称为微波,能穿
透塑料、陶瓷和玻璃等,但会被水等极性分子 吸收而产生内热源——微波炉的原理 ❖ ——波长大于1米的电磁波主要用于无线电技术 中 ❖ 热辐射中发出的电磁波通常称为热射线,本质 上也是电磁波
❖ 用“E”表示,W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本

传热学-6 单相流体对流传热特征数关联式

传热学-6 单相流体对流传热特征数关联式
注意:与受迫流动换热的区别 无限空间自由流动换热:空间大,自由流动不受 干扰。例:加热炉炉墙对外散热,管外散热及建 筑墙表面对外散热
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-第六章 单相对流

传热学-第六章 单相对流

8
a 基本依据: 定理,即一个表示n个物理量间关系的 量纲一致的方程式,一定可以转换为包含 n - r 个独立 的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。
b 优点: (a)方法简单;(b) 在不知道微分方程的情况 下,仍然可以获得无量纲量 c 例题:以圆管内单相强制对流换热为例
(a)确定相关的物理量
相似原理将回答上述问题
2
2 相似原理的研究内容:研究相似物理现象之间的关系,
(1)物理现象相似:对于同类的物理现象,在相应的时刻与相 应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。
(2)同类物理现象:用相同形式并具有相同内容的微分方程式 所描写的现象。
3 物理现象相似的特性
(1)同名特征数对应相等;
实验验证范围为: l / d 60,
Prf 0.7 ~ 16700, Ref 104。
32
(3)采用米海耶夫公式:
Nuf

0.021 Ref0.8
Prf0.43


Prf Prw
0.25


定性温度为流体平均温度 tf ,管内径为特征长度。
实验验证范围为: l / d 50,
式中,qm 为质量流量; tf、tf 分别为出口、进口截面上
的平均温度; tm 按对数平均温差计算:
tm

tf tf
ln ttww

tf tf

28
二. 管内湍流换热实验关联式 实用上使用最广的是迪贝斯-贝尔特公式:
Nuf 0.023 Ref0.8 Prfn
德拉[cd] 因此,上面涉及了4个基本量纲:时间[T],长度[L],质 量[M],温度[]
r=4

传热学第六章凝结与沸腾换热

传热学第六章凝结与沸腾换热

第六章 凝结与沸腾换热
17
7. 凝结表面的几何形状
❖ 强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度。
❖ 可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄,或 者使已凝结的液体 尽快从换热表面上 排泄掉。
第六章 凝结与沸腾换热
18
§6-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
0
第六章 凝结与沸腾换热
7
边界条件:
y 0 时, u 0, t tw
y 时, du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得:
(1) 液膜厚度
4l
l (
g
ts
l2 r
tw
)x 1/ 4
定性温度:
tm
ts
tw 2
注意:r 按 ts 确定
第六章 凝结与沸腾换热
10
横管与竖管的对流换热系数之比:
hHg hVg
0.77
l d
1
4
3 边界层内的流态
凝结液体流动也分层流和湍流,并 且其判断依据仍然时Re,
Re de ul
式中:
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速;
de 为该截面处液膜层的当量直径。
第六章 凝结与沸腾换热
无波动层流
6
考虑(3)液膜的惯性力忽略
l
(u
u x
v
u y
)
0
考虑(7)忽 略蒸汽密度
dp dx
0
u
x
v y
0
l
(u
u x
v

传热学第六章

传热学第六章
定性温度: Prw的定性温度为tw,其它物性的定性温度为t.。 式中C和.m的数值列于下表。
第六章 单相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
外掠平板流动
内部流动
6-3 内部强制对流换热实验关联式
6.3.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点 1.两种流态
6.3.1.管槽内强制对流流动与换热的特点 2. 入口段与充分发展段
流动进口段与充分发展段
管内等温层流流动充分发展段具有以下特征: (a) 沿轴向的速度不变,其它方向的速度为零; (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布;
6-2
可见,对于圆形管道,边界条件不同,对流换热强度也不同:
qw = 常数,Nu = 4.36,tw = 常数,Nu = 3.66。
6.3.3 管内层流强制对流换热关联式
对于长管,可以利用表中的数值进行计算。对于 短管,进口段的影响不能忽略,可用齐德-泰特关系式 计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数:
在计算弯管内的对流换热时, 应在直管基础上加乘弯管修正因
子c R 。
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
对上述公式的几点说明:
1)上述公式都属于经验公式,当采用公式进行对流换热计算 时,要注意每个公式的使用条件;
2)在对流换热的研究中,曾经提出过数以十计的关联式,以 上几个公式只是有代表性的几个;
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对 流换热问题的可靠方法。 相似原理回答三个问题: (1)如何安排实验? (2)如何整理实验数据? (3)如何推广应用实验研究结果?
6-1 相似原理与量纲分析
6-1 相似原理与量纲分析
6.1.1物理现象相似的定义

传热学-第6章

传热学-第6章

物理现象相似、同类物理现象、 物理现象相似的特性、 物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性 温度、特征长度和特征速度
③ 无量纲量的获得:相似分析法和量纲分析法
第6章 对流换热 23
④常见准则数的定义、物理意义和表达式,及其各量的 物理意义 ⑤模化试验应遵循的准则数方程
强制对流:
Nu f (Re, Pr); Nu x f ( x ' , Re, Pr)
例题:以圆管内单相强制对流换热为例
(a)确定相关的物理量
h f (u, d , , , , c p )
n 7
第6章 对流换热 10
(b)确定基本量纲 r
kg h: 3 s K
m u: s
kg : Pa s ms
W kg m d :m : 3 mK s K kg J m2 : 3 cp : 2 kg K s K m
0.25
???????????????22uxuyguvy???t???t?????????????????11ptt60代入动量方程并令改写原方程????t????????????22uxuyuyuvg相似分析???????????????????202022uluuxuyuyuvgtl61????????????????????22020uluxuygtluuyuv?????????23020ulgtlugtlgr格拉晓夫数浮升力粘滞力62?prnufgr自然对流换热准则方程式为自然对流换热??0
如:
Nu f 、 f 、 f 或Nu m、 m 、 m Re Pr Re Pr
使用特征数关联式时,必须与其定性温度一致
第6章 对流换热 17
b
特征长度:包含在相似特征数中的几何长度; 取对于流动和换热有显著影响的几何尺度

传热学-第6章-单相对流传热的实验关联式

传热学-第6章-单相对流传热的实验关联式
4 6
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。

传热学第六章

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

传热学课件第六章辐射换热计算

传热学课件第六章辐射换热计算

X 1,3

A1 A3 A2 2 A1
X 2,1

A2
A1 A3 2 A2
X 2,3

A2
A3 A1 2 A2
X 3,1

A3 A1 A2 2 A3
X 3,2

A3
A2 2 A3
A1
3.查曲线图法
利用已知几何关系的角系数,确定
其它几何关系的角系数。 例:如图,确定X1,2 由相互垂直且具有公共边的长方形表面
• 若A2和A3的温度相等,则有
J2A2X2,1+J2A3X3,1 =J2 A2+3X(2+3),1 角系数的可加性
即 A2+3X(2+3),1=A2X2,1+A3X3,1
利用角系数的可加性,应注意只有对角系数
符号中第二个角码是可加的。
• 三、角系数的确定方法
角系数的确定方法很多,从角系数的定义直 接求解法、查曲线图法、代数分析法和几何图形 法,这里主要介绍定义直求法和代数分析法。
一、表面辐射热阻
对于任一表面A,其本身辐射为E=ε Eb, 投射辐射为G,吸收的辐射能为α G。向外 界发出的辐射能为
J E G Eb 1 G (a)
因此,表面A的净热流密度为
q = J-G
(b)
对于灰体表面α =ε ,联解(a)和(b),
消去G得
q

Eb J
1
第六章 辐射换热计算
例内 重 基 题容 点 本 赏精 难 要 析粹 点 求
基本要求
1.掌握角系数的意义、性质及确定方法。 2.掌握有效辐射的确定方法。 3.熟练掌握简单几何条件下透热介质漫灰
面间辐射换热的计算方法。 4.掌握遮热板的原理及其应用

传热学第六章

传热学第六章

第六章 各种对流传热过程
第一节 单相流体的强迫对流传热
(1)湍流强迫对流传热(P90-91) 特征数方程实质上表示了各因素对传热强度的影响程度,湍 流强迫对流传热系数计算公式展开可得:
vf d h 0.023 f
0.023
0.4 pf
0.8
f c pf f
※但必须注意,这些措施都会同时增加流体的流动阻力,
尤其是流速增加时阻力的增大将以流速的平方倍数增大。
第六章 各种对流传热过程
第一节 单相流体的强迫对流传热
2、计算公式(P90-92)
(2)层流强迫对流传热(P92)
d Nu f 1.86 Re f P rf l
1/ 3
f w
(b)定型段:速度分布、传热强度hx沿轴向将保持不变
δ=1/2 d δt=1/2 d
第六章 各种对流传热过程
第一节 单相流体的强迫对流传热
②流态判据:雷诺数Re
Re
vf d
Re< 2200,层流; 2200< Re<104,过渡流; Re>104, 湍流

υ:流体运动粘度,m2/s; vf:管槽截面平均流速,m/s;
ห้องสมุดไป่ตู้
0.25
冷却
气体:
Tf t T w
加热
t 1
冷却
第六章 各种对流传热过程
第一节 单相流体的强迫对流传热
(1)湍流强迫对流传热(P90-91) ③εR为考虑管道弯曲对平均对流传热系数影响的 弯管效应修正系数。
如图6-5所示,流体流
过弯曲管道或螺旋管时, 由于离心力的作用,会引 起二次环流而强化传热。
②边界层汇合于中心线后的区域,称为充分发展段或定型段,

传热学第六章单相对流传热的实验关联式

传热学第六章单相对流传热的实验关联式

02
单相对流传热的基本理论
单相对流换热的概念
定义
单相对流换热是指流体与固体壁面之间的热量交换,其中流体和 壁面之间的相对位置和速度是影响换热的主要因素。
分类
根据流体与壁面的相对运动方向,单相对流换热可分为顺流和逆 流两种类型。
单相对流换热的物理机制
80%
流体流动
流体在流动过程中,由于速度差 异和湍流扩散作用,会产生流动 的不均匀性和动量的交换,从而 影响热量传递。
THANK YOU
感谢聆听
实验数据处理
对实验数据进行整理、筛选和计算, 提取有用的信息,以便后续的分析和 解释。
实验结果的分析和解释
实验结果分析
对比实验数据和理论预测,分析数据的一致性和差异性,找出可能的原因和影响因素。
实验结果解释
根据实验结果分析,对单相对流传热的规律和机制进行解释,提出可能的改进措施和优 化建议。
误差分析和不确定度评估
传热学第六章单相对流传热的 实验关联式

CONTENCT

• 引言 • 单相对流传热的基本理论 • 实验装置和实验方法 • 实验结果及分析 • 实验关联式的建立和应用 • 结论与展望
01
引言
传热学的重要性
传热学是研究热量传递规律的科学,在能源、建筑、航空航天、 电子、冶金等领域具有广泛应用。
掌握传热学知识有助于提高能源利用效率,优化设备性能,解决 工程实际问题。
优点
能够提供较为准确的单相对流传热系数,有 助于简化工程计算和提高设计效率。
缺点
对于某些复杂流动和传热条件,实验关联式 的适用性可能存在争议,需要进一步研究和 验证。同时,实验关联式的推导和验证需要 耗费大量时间和资源,也可能限制其应用范 围。

传热学课件第六章--单相流体对流换热

传热学课件第六章--单相流体对流换热

第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析(基本概念)
1.进口段与充分发展段 2>.对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有: t t t r r R w t t t t r w f w f
由于无因次温度不随x发生变化,仅是r的函数,故对无因次 温度求导后再令r=R,则上式显然应等于一常数。又据傅里叶 定律:q=-(t/r)r=R及牛顿冷却公式:q=h(tw-tf),上 t 式变为: t t r r R h Const w tw t f r tw t f


另外,不同断面具有不同的tf值,即tf随x变化,变化规律 与边界条件有关。
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析(基本概念)
2.定性参数 2>.管内流体平均温度 ①常热流通量边界条件: t tw// tw/
tf /
进口段 充分发展段
tf// x
如图,此时:tw>tf 经分析:充分发展段后: tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时,管内流体的平均温度为: t f t f tf 2
第三节
自 然 对 流 换 热
一、无限空间自由流动换热(大空间自然对流)
指热(冷)表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。 一般准则方程式可整理成: Nu=f(Gr· Pr) 一般Gr· Pr>109时为紊流,否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热,其准则方程式常可整理成: Num=C(Gr· Pr)mn C、n可参见表6=5,注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令:Ra=Gr· Pr Ra为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式,常见的 为邱吉尔(Churchill)和朱(Chu)总结的式6-19,20。

传热学第六章复习题答案

传热学第六章复习题答案

传热学第六章复习题答案1. 什么是热传导?请简述傅里叶定律。

热传导是指热量通过物体内部分子的振动和碰撞传递的过程。

傅里叶定律表明,热量传递的速率与温度梯度成正比,与物体的热导率成正比,与物体的横截面积成正比,与物体的厚度成反比。

数学表达式为:\[ q = -kA\frac{dT}{dx} \],其中\( q \)是热流密度,\( k \)是热导率,\( A \)是横截面积,\( \frac{dT}{dx} \)是温度梯度。

2. 热对流与热传导的主要区别是什么?热对流是指热量通过流体的运动传递的过程,而热传导是通过物体内部分子的振动和碰撞传递热量。

热对流依赖于流体的运动,而热传导不依赖于流体的运动。

3. 描述牛顿冷却定律,并给出其数学表达式。

牛顿冷却定律描述的是物体在流体中冷却时,其冷却速率与物体表面温度和流体温度之差成正比。

数学表达式为:\[ \frac{dT}{dt} = hA(T - T_{\infty}) \],其中\( \frac{dT}{dt} \)是温度变化率,\( h \)是热传递系数,\( A \)是物体表面面积,\( T \)是物体表面温度,\( T_{\infty} \)是流体温度。

4. 什么是辐射换热?辐射换热的基本原理是什么?辐射换热是指物体之间通过电磁波(主要是红外辐射)传递热量的过程。

辐射换热的基本原理是,物体会根据其温度发射和吸收辐射,物体的辐射能力与其温度的四次方成正比,即斯特藩-玻尔兹曼定律:\[ E = \sigma T^4 \],其中\( E \)是辐射功率,\( \sigma \)是斯特藩-玻尔兹曼常数,\( T \)是物体的绝对温度。

5. 请解释什么是复合换热,并给出其计算方法。

复合换热是指在实际工程中,热传导、热对流和辐射换热往往同时存在,需要综合考虑这三种换热方式。

计算方法通常是将三种换热方式的热流密度相加,即:\[ q_{total} = q_{cond} + q_{conv} +q_{rad} \],其中\( q_{total} \)是总热流密度,\( q_{cond} \)是热传导的热流密度,\( q_{conv} \)是热对流的热流密度,\( q_{rad} \)是辐射换热的热流密度。

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第6章 单相对流传热的实验关联式
§6.1 相似原理及量纲分析
6.1.1 相似原理 一、问题的提出 试验是不可或缺的手段,然而,经常遇到如下两个问题: (1)变量太多 A.实验中应测哪些量(是否所有的物理量都测) B.实验数据如何整理(整理成什么样的函数关系?) (2)实物试验很困难或太昂贵的情况,如何进行试验?
t w 21
2016/7/6
o 1046 C ~
31
§6.5自然对流换热
一、原理
温差密度差浮升力自然对流自然对流换热
2016/7/6
32
• 自然对流亦有层流 和湍流之分。 • 层流时,换热热阻 主要取决于薄层的 厚度。 • 旺盛湍流时,局部 表面传热系数几乎 是常量。
2016/7/6
h d

n 1/ 3
平均努塞尔特数
Nu hd / CRe Pr t w t 定性温度: tm 2 u d Re
式中常数数值见表6-5。
30
二、准则方程式
Nu C Ren Pr 1 3
※ C、n 的选择 ※ 特征长度:管外径 ※ 特征速度:来流速度 u ※ 定性温度: tm t w t 2 ※ 适用范围:t 15.5 ~ 982o C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。
(a)常热流密度:
均匀电加热丝加热
(b)常壁温: 蒸汽凝结加热 或液体沸腾冷却
16
4. 特征速度及定性温度的确定
特征速度一般多取截面平均流速。 定性温度多为截面上流体的平均温度(或进出口截面 平均温度)。 5. 牛顿冷却公式中的平均温差 对恒热流条件,充分发展段流体温度与壁温的温差不 变,可取 (t t ) 作为 t 。
0.11
2016/7/6
36
2016/7/6
18
6.3.2 管槽内湍流强制对流传热关联式
1. 常规流体( Pr 〉0.6 )
1) 迪图斯-贝尔特公式
Nu f 0.023 Re0f.8 Pr fn
普朗特数的指数 n 的取值如下:
0.4 加热流体时 n 0.3 冷却流体时
2016/7/6 19
在光滑管道中发生湍流时:
Nu f 0.023 Re0f.8 Pr fn
X
10
n m 2. 求 Nu C Re Pr
Y
Y a ' b' X
(1)Re 常
lg Nu lg C Ren m lg Pr
·
· ·· · ·
X
Y
a
'
b X
'
Nu lg C n lg Re Y (2) lg m Pr
Y
a
''
b
''
X
·
· ·· '' '' Y a b X · ·
例:流体外掠平板对流换热边界层温度场相似问题 如果在空间对应点上:
' x1 '' x1
温度沿 x、y方向变化:

' x2 '' x2

' x3 '' x3

' xn '' xn
C1
' y1 '' y1

' y2 '' y2

' y3 '' y3

' yn '' yn
C2
过余温度成正比: ' ' ' 1' 2 3 n '' '' '' '' 1 2 3 n
相似原理将回答上述问题
二、相似原理 1. 相似现象: 对于两个同类的物理现象,如果在相应的时刻 与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应 成比例,则称此两现象彼此相似。 2. 同类现象: 是指那些用相同形式并具有相同内容的微分方 程式所描写的现象。
3. 相似条件:

(1)同类现象 (2)同名特征数相同 (3)单值性条件相似 初始条件、边界条件、几何条件、物理条件
2016/7/6
35
气体 Nu C Gr Pr
※ C、n 的选择:查表
n
※ 特征长度:竖壁和竖圆柱取高度,横圆柱取外径。
※ 定性温度:t m t w t 2
※ 液体需修正:
Nu C Gr Pr
n
Pr f 物性变化修正因子 Pr w

几何相似倍数
C
称这两个温度场相似
温度场相似倍数
相似原理
1.实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的 盲目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题
2. 按特征数之间的函数关系整理实验数据,得到实用关联式 ——解决了实验中实验数据如何整理的问题 3. 可以在相似原理的指导下采用模化试验 —— 解决了实 物试验很困难或太昂贵的情况下,如何进行试验的问题 因此,我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数? 它们之间的函数关系如何?
0.14
※ 特征长度:管内径(或当量直径) ※ 定性温度
1 ' t m t f t 'f' 2


※ 适用范围: l d 60
Pr f 0.7 ~ 16700
Re 104
2016/7/6 25
6.3.3 层流强制对流
1.层流充分发展段对流换热结果
§6.4 外掠单管和管束的对流换热 一、外掠单管
※ 特征尺度:管内径(或当量直径)
※ 定性温度:
1 ' '' tm t f t f 2


Pr f 0.7 ~120
※ 适用范围:
Re f 104 ~1.2 105
l d 60
适用于流体与壁面小温度差的场合。一般说对于气体不超 过50℃,对于液体不超过30℃;对于一些油类不超过10℃。
2016/7/6 9
§6.2 相似原理的应用
(一)威尔逊法
Nu f Re,Pr
n m 或 Nu C Re Nu C Re Pr n
1. 求 Nu C Ren
lg Nu lg C n lg Re
Y
Y a bX
Y
a
b X
Y a bX
2016/7/6
·
· ·· · ·
K-1
Gr —— 表征流体浮生力与粘性力的比值 (4)自然对流相似 Gr1=Gr2
例题:
在一台缩小成为实物1/8的模型中,用20oC的空气来
模拟实物中平均温度为200oC空气的加热过程。实物中空 气的平均流速为6.03m/s,问模型中的流速应为若干?若 模型中的平均表面传热系数为 195W/(m 2 · K) ,求相应实 物中的值。在这一实验中,模型与实物中流体的 Pr数并
2 k i 1 i i i
2
12
W z z d nx my z
k i 1 ' i 2 k i i 1 i i i
2
d =?
n=?
m=?
W 0 d
W 0 n
W 0 m
k k k n xi dk zi m yi i 1 i 1 i 1 k k k k 2 n xi d xi xi zi m xi yi i 1 i 1 i 1 i 1 k k k k 2 n x y d y y z m y i i i i i i i 1 i 1 i 1 i 1
按相似现象定义:同名特征数相同
结果:对流传热相似 — 努塞尔数相同
Nu1=Nu2
(2)通过动量微分方程可得—动量传递相似 (3)能量微分方程--能量传递相似 Pr1=Pr2
Re1=Re2
贝克来数
对自然对流的微分方程进行相应的分析,可得到一个新 的无量纲数——格拉晓夫数
式中: —— 流体的体积膨胀系数
三、无量纲数的获得:相似分析法和量纲分析法 1.相似分析法: 在已知物理现象数学描述的基础上,建立两现象之间的一 些比例系数,尺寸相似倍数,并导出这些相似系数之间 的关系,从而获得无量纲量。 (1)对流传热微分方程式——对流传热相似 数学描述: 现象1:
现象2:
以换热表面的特征尺寸l为长度标尺对上两式无量纲化:
2016/7/6 20
(a) 特征尺度:
1. 标准圆管:管内径
2. 非标准圆管: d e
流动横截面积
4 Ac de P
当量直径
(b)流速 u
与流体接触的壁面长度
qm Au
或 Vm Au
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21
(c)不均匀物性对流速
u 影响:
对气体
Tf ct T w 当气体被加热时 n 0.55
不严格相等,你认为这样的模化试验有无实用价值?
2016/7/6
8
Re1 Re2 解:
u1l1
1

u2 l 2
2
u2 l 2 1 u1 20.85m / s 2 l1
Nu1 Nu2
h1l1
1

h2 l 2
2
l1 2 h2 h1 36.99W /( m 2 K ) l 2 1
脱体点的特征:
u 0 y w
5 Re 2 105
边界层为层流,脱 体点在 80
Re 1.5 10
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