1第六章單相流體對(duì)流換熱第一節(jié)管內(nèi)強(qiáng)迫流動(dòng)對(duì)流換熱第三節(jié)自然對(duì)流換熱第二節(jié)外掠圓管對(duì)流換熱2第一節(jié)管內(nèi)強(qiáng)迫流動(dòng)對(duì)流換熱一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征

1.

進(jìn)口段和充分發(fā)展段的特點(diǎn)（流動(dòng)和熱）(流態(tài)流速定型）

流動(dòng)充分：x方向u不變，v=0

熱充分(定tw或q)：無量綱溫度隨管長(zhǎng)不變（tw-t)/(tw-tf),即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)。

32.流動(dòng)充分發(fā)展段層流和湍流的判斷層流： 過渡區(qū)： 旺盛湍流：43.熱入口段和充分發(fā)展段的判斷（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化）

（定壁溫）充分發(fā)展段為層流或湍流的熱入口段長(zhǎng)度:

層流湍流54.熱入口段和流動(dòng)入口段的關(guān)系

Pr=1流動(dòng)入口段=熱入口段Pr>1流動(dòng)入口段<熱入口段Pr<1流動(dòng)入口段>熱入口段層流湍流65.熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。

76.牛頓冷卻公式中的平均溫差對(duì)恒熱流條件，可取作為。對(duì)于恒壁溫條件，截面上的局部溫差是個(gè)變值，應(yīng)利用熱平衡式：式中，為質(zhì)量流量；分別為出口、進(jìn)口截面上的平均溫度；按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算：87.特征速度及定性溫度的確定特征速度一般多取截面平均流速。定性溫度多為截面上流體的平均溫度（或進(jìn)出口截面平均溫度）。9二.管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯－貝爾特公式：（展開思考）加熱流體時(shí)，冷卻流體時(shí)。式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合。(氣體:△t=|tw-tf|<50℃;水:△t<20～30℃;油類:△t<10℃)10實(shí)際上來說，液體與管壁間溫差大，粘度有明顯變化一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)來考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。11大溫差情形，可采用下列任何一式計(jì)算。（1）迪貝斯－貝爾特修正公式對(duì)氣體被加熱時(shí)，當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，對(duì)液體液體受熱時(shí)液體被冷卻時(shí)12（2）采用齊德－泰特公式：定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定），管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：13（3）采用米海耶夫公式：定性溫度為流體平均溫度，管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：14上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。（1）非圓形截面槽道用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。式中：為槽道的流動(dòng)截面積；P為濕周長(zhǎng)。（2）入口段入口段的傳熱系數(shù)較高。對(duì)于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖角入口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)：

15

（3）彎管修正或螺線管當(dāng)流體流過彎曲或螺旋管道時(shí)，在彎曲段，由于離心力的作用，沿截面產(chǎn)生二次環(huán)流，增加邊界層擾動(dòng)，使換熱增強(qiáng)。

對(duì)于液體對(duì)于氣體16三、層流（）時(shí)的換熱

Pr數(shù)較大的油和水在壁溫恒定的管內(nèi)進(jìn)行層流換熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍:17三、過渡區(qū)（2300＜Re＜10000）時(shí)的換熱

格尼林斯基提供的關(guān)聯(lián)式：

對(duì)于氣體18

對(duì)于液體:

【例6-1】【例6-2】【例6-3】【例6-4】一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征

1.進(jìn)口段和充分發(fā)展段的特點(diǎn)（流動(dòng)和熱）2.熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種

二、湍流、過渡流及層流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

20【例6-1】一臺(tái)管殼式蒸汽熱水器，水在管內(nèi)流速為um=0.85m/s,全水管的平均溫度tf=90,管壁溫度tw=115,管長(zhǎng)1.5m,管內(nèi)徑d=17mm,試計(jì)算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解題思路：如何選擇準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式？1、滿足適用條件（幾何參數(shù)和準(zhǔn)則數(shù)范圍）2、確定定性溫度，從而確定準(zhǔn)則數(shù)

21【例6-2】水以2.5m/s的速度在內(nèi)徑為20mm長(zhǎng)度為3m的管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口處水溫為20℃，管壁溫度保持40℃。試確定出口水溫。思路：求Re：定性溫度未知——粘度未知——怎么Re？校核計(jì)算（很多方法）1假定出口溫度——Re——Pr——h——Q1——Q2——Q1=Q2,溫度假定合理，否則重新試算。2以進(jìn)口溫度作為定性溫度計(jì)算22

解：由于出口水溫待求，管內(nèi)流體的平均溫度不能確定，故先以進(jìn)口處水溫℃作為定性溫度進(jìn)行試算。由附錄查取20℃時(shí)水的物性參數(shù)為：23

流動(dòng)屬于紊流℃，

℃，24水被加熱，取25由管內(nèi)流體的能量平衡可得26℃

此時(shí)可取流體的平均溫度

℃作為定性溫度重復(fù)以上計(jì)算步驟，得℃，因?yàn)閮纱斡?jì)算結(jié)果相差很小，所以出口水溫℃

。27

【例6-3】恒定壁溫的光管，內(nèi)徑120mm，水以2m/s的速度在管內(nèi)流過，水的進(jìn)口溫度=40℃，出口溫度為滿足這一加熱過程，試確定該管長(zhǎng)度。28

屬于旺盛紊流解：℃29

=1433.17

因?yàn)椋ǎ夭钶^大30單位時(shí)間內(nèi)水吸收的熱量為

=1865802

根據(jù)能量平衡關(guān)系31故所需管長(zhǎng)為16m。32【例6-4】某廠燃?xì)饪諝饧訜崞?，已知管?nèi)徑d=0.051m，每根管內(nèi)空氣質(zhì)量M=0.0417kg/s,管長(zhǎng)2.6m,空氣進(jìn)口溫度tf’=30,管壁溫度保持tw=250，試計(jì)算該換熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（討論）

33第二節(jié)流體橫向繞流管束的換熱

一、流體橫向繞流單管（或柱）時(shí)的對(duì)流換熱計(jì)算

二、流體橫向繞流管束的對(duì)流換熱計(jì)算

34一、流體橫向繞流單管（或柱）流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱計(jì)算

外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制。橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動(dòng)具有邊界層特征，還會(huì)發(fā)生繞流脫體。1、流動(dòng)邊界層的形成與發(fā)展

流體的壓強(qiáng)大約在管的前半部遞降，即dp/dx<0,而后又回升，即dp/dx>0邊界層內(nèi)流體的動(dòng)能變化與壓強(qiáng)的變化相對(duì)應(yīng)；脫體繞流產(chǎn)生脫體現(xiàn)象：從壁面的某一位置開始速度梯度達(dá)到0（脫體點(diǎn)），壁面流體停止向前流動(dòng)，并隨即向相反的方向流動(dòng)。邊界層中出現(xiàn)渦流，從而正常的邊界層被破壞。

衡量脫體繞流的程度：速度衡量脫體繞流的準(zhǔn)則數(shù)：Re36分離點(diǎn)（脫體繞流的起點(diǎn)）的位置：

繞流邊界層在脫體分離前已轉(zhuǎn)為湍流，分離點(diǎn)在處。Re<10時(shí)，不發(fā)生繞流脫體

邊界層為層流，繞流脫體點(diǎn)發(fā)生在372、流體橫向繞流單管（或柱）時(shí)的換熱特征

邊界層的成長(zhǎng)和脫體決了外掠圓管換熱的特征。38

Re的值較小時(shí)，在φ＝0處，邊界層最薄，局部努塞爾準(zhǔn)則的值逐步下降，在分離點(diǎn)處，的值為最小，之后由于渦流出現(xiàn)，的值又趨于回升。的最小值大約在φ=80°附近。

39

Re的值較大時(shí)，邊界層在分離點(diǎn)之前已過渡到紊流狀態(tài)。在層流與紊流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)局部的第一次較低值，而后隨著湍流邊界層的發(fā)展，局部的值迅速回升，當(dāng)邊界層到達(dá)旺盛紊流時(shí)，的值為最大。湍流穩(wěn)定后，由于湍流邊界層不斷增厚，局部又逐漸下降，在φ＝140°的分離點(diǎn)附近區(qū)域，局部的值又再次回升。層流向紊流轉(zhuǎn)變；紊流邊界層與壁脫體繞流。40

式中：C、n的值據(jù)Rem值由表查取

定性溫度：

特征尺寸：管外徑D

特征速度：來流速度uf適用范圍：tf=15.5～982℃tw=21～1046℃3、流體橫向繞流單管（或柱）時(shí)的對(duì)流換熱計(jì)算公式

41RemCn0.4~40.9890.3304~400.9110.38540~40000.6830.4664000~400000.1930.61840000~4000000.0270.805上式中的C和n的值42二、流體橫向繞流管束時(shí)的對(duì)流換熱計(jì)算

1、影響橫向繞流管束換熱的因素

（1）管束排列方式的影響（2）管與管相對(duì)節(jié)距的影響（3）流動(dòng)方向管排數(shù)的影響

43（1）管束排列方式的影響

一般說來，在大多數(shù)情況下，叉排的平均換熱系數(shù)要比順排時(shí)大。21DD12a順排b叉排順排：優(yōu)點(diǎn)：阻力較小，清洗較方便；缺點(diǎn)：流體與管子之間的擾動(dòng)較弱叉排：優(yōu)點(diǎn)：擾動(dòng)較強(qiáng)缺點(diǎn)：阻力大，不好清洗排列方式分類45（2）管與管相對(duì)節(jié)距的影響叉排時(shí)：當(dāng)

＜

當(dāng)

＞

順排時(shí)：46（3）流動(dòng)方向管排數(shù)的影響

對(duì)于排數(shù)少于10排的管束

管排修正系數(shù)

總排數(shù)12345678910順排叉排0.640.680.800.750.870.830.900.890.920.920.940.950.960.970.980.980.990.991.01.0管排修正472、流體橫向沖刷管束的對(duì)流換熱計(jì)算式

適用范圍：

定性溫度：，其它均為定型尺寸：特征速度：系數(shù)C，n見參考書p167：表6-248【例6-3】哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的220t/h高壓鍋爐空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：叉排布置，＝76mm，＝44mm,管徑40×1.5，空氣橫向沖刷管束，在管排中心截面上的流速＝6.03m/s空氣的平均溫度＝133℃，管壁溫度，流動(dòng)方向總排數(shù)。求管束與空氣間的平均換熱系數(shù)。49解：因?yàn)椋?33℃，查表得：，，。50又因＞故最大流速為51由于

，則52因?yàn)?故不必考慮管排修正。返回53一、流體自然對(duì)流換熱邊界層的特點(diǎn)二、流體自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程三、大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算四、有限空間自然對(duì)流換熱計(jì)算五、自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流并存的混合對(duì)流

第三節(jié)流體自然對(duì)流換熱54一、流體自然對(duì)流換熱邊界層的特點(diǎn)

1、產(chǎn)生原因：溫度差密度差浮升力自然對(duì)流流體密度隨溫度線性變化:浮升力:流體的膨脹系數(shù)對(duì)于理想氣體:2自然對(duì)流換熱的分類

無限空間的自然對(duì)流換熱：

流動(dòng)、換熱、邊界層可以充分發(fā)展如：冬天玻璃窗戶內(nèi)表面的換熱、建筑外墻的室內(nèi)壁面散熱等有限空間的自然對(duì)流換熱：

流動(dòng)、換熱、邊界層的充分發(fā)展受壁與壁間相互影響如：雙層玻璃窗中的空氣層換熱、建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)中的封閉空氣間層換熱、平板式太陽(yáng)能集熱器的空氣間層56

3、無限空間內(nèi)自然對(duì)流的溫度分布和速度分布自然對(duì)流邊界層內(nèi)速度剖面呈單峰形狀；溫度分布曲線與強(qiáng)迫流動(dòng)時(shí)相似，呈單調(diào)變化。57在傳熱計(jì)算中，一般用作為自然對(duì)流層流和紊流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

4、自然對(duì)流換熱的邊界層分類:(瑞利準(zhǔn)則）層流湍流過渡區(qū)584、自然對(duì)流換熱特征在層流邊界層隨著厚度的增加，局部換熱系數(shù)將逐漸降低，當(dāng)邊界層內(nèi)層流向紊流轉(zhuǎn)變局部換熱系數(shù)hx

趨于增大。在常壁溫或常熱流邊界條件下當(dāng)達(dá)到旺盛紊流時(shí)，hx將保持不變而與壁的高度無關(guān)自然對(duì)流強(qiáng)度主要取決于換熱溫差△t、板高l

、容積膨脹系數(shù)α和運(yùn)動(dòng)粘度ν。59二、流體自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程

Gr數(shù)在準(zhǔn)則方程式中的作用與受迫對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式中Re的作用相似，物理意義上，它反映了浮升力和粘性力之間的關(guān)系。

60三、大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算

大空間自然對(duì)流換熱：指壁面形成的邊界層，不因空間限制而受到干擾時(shí)的換熱。當(dāng)壁溫恒定時(shí)：定性溫度：系數(shù)c和指數(shù)n的值以及定型尺寸、使用范圍等列于下表中：（a）611/41/31/40.540.150.27熱面向上（或冷面向下）熱面向下（或冷面向上）

水平平板高L高L直徑D直徑D1/41/31/41/30.590.100.530.13豎平板和豎圓柱（管）水平圓管（管）定型尺寸nc換熱面形狀和位置62常熱流密度時(shí)用修正用，即

對(duì)于豎平板及豎圓柱體

層流

湍流適用范圍：適用范圍：（b）（c）q已知，tw未知63

注：豎圓柱按上表與豎壁用同一個(gè)關(guān)聯(lián)式只限于以下情況：64習(xí)慣上，對(duì)于常熱流邊界條件下的自然對(duì)流，往往采用下面方便的專用形式：

式中：定性溫度取平均溫度，特征長(zhǎng)度對(duì)矩形取短邊長(zhǎng)。按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。65這里流動(dòng)比較復(fù)雜，不能套用層流及湍流的分類。66四.有限空間自然對(duì)流換熱這里僅討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對(duì)流換熱，而且推薦的關(guān)聯(lián)式僅局限于氣體夾層。

封閉夾層示意圖67夾層內(nèi)流體的流動(dòng)，主要取決于以?shī)A層厚度為特征長(zhǎng)度的數(shù)：當(dāng)