研究目的：計算在各種不同條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h第一部分，基礎(chǔ)部分：介紹影響對流換熱的因素，確定對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的幾種方法及這些方法的介紹，理解第二部分：具體介紹目前工程計算中較常用的幾種類型情況下確定h的計算公式第五章對流換熱(ConvectiveHT)傳熱學(xué)HeatTransfer§5-1對流換熱概述一、對流換熱的定義和機(jī)理1、定義:對流換熱：流體流過固體壁面時所發(fā)生的熱量傳遞過程。對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式對流換熱實例：1)暖氣管道;2)電子器件冷卻；傳熱學(xué)HeatTransfer(1)

導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程(2)必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差(3)由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層2對流換熱的特點3對流換熱的基本計算式牛頓冷卻式:傳熱學(xué)HeatTransfer4表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系數(shù)）——當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)所傳遞的熱量如何確定h及增強(qiáng)換熱的措施是對流換熱的核心問題傳熱學(xué)HeatTransfer二、影響對流換熱的因素1.流動起因(Thecauseofmotion)Forcedconvection：MixedconvectionNaturalconvection：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動傳熱學(xué)HeatTransfer2.流體流動狀態(tài)(Theflowregimes)LaminarflowTurbulentflow流體質(zhì)點做復(fù)雜無規(guī)則的運動整個流場呈一簇互相平行的流線傳熱學(xué)HeatTransfer3.換熱表面幾何因素(Thegeometricfactors)形狀（shape）相對位置(relativeposition)表面粗糙情況(surfaceroughness)尺度(scale)內(nèi)流（internalflow）外流（externalflow）4.換熱過程有無相變(phasechange)Boiling,condensation傳熱學(xué)HeatTransfer5.流體的物性(Thethermophysicalproperties)前4類影響因素構(gòu)成將對流換熱進(jìn)行分類的基架，流體的物性將通過一個特殊的無量綱數(shù)來專門予以反映傳熱學(xué)HeatTransfer三、對流換熱的分類(classification)傳熱學(xué)HeatTransfer四、研究對流換熱的方法分析解法實驗法比擬法數(shù)值解法采用數(shù)學(xué)分析求解的方法，有指導(dǎo)意義。通過大量實驗獲得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式，是目前的主要途徑。通過研究熱量傳遞與動量傳遞的共性，建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系，限制多，范圍很小。與導(dǎo)熱問題數(shù)值思想類似，發(fā)展迅速，應(yīng)用越來越多。1.獲得h的方法傳熱學(xué)HeatTransfer2.如何從獲得的溫度場來計算h無論是分析解法還是數(shù)值法首先獲得都是溫度場，如何由T→h？yt∞u∞

tw

qwx由傅里葉定律

牛頓冷卻公式

3.注意上式與導(dǎo)熱問題IIIBC的差別(1)導(dǎo)熱問題中，h已知，此處h為未知值(2)導(dǎo)熱問題中，λ為固體導(dǎo)熱系數(shù)，此處λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)(3)導(dǎo)熱問題中，t為固體溫度，此處t為流體溫度傳熱學(xué)HeatTransfer4.上式h為局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而求整個表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)把牛頓冷卻公式用于整個表面得出傳熱學(xué)HeatTransfer§5-2對流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫(mathematicalformulation)溫度場特別是壁面附近的溫度分布溫度場受到流場的影響流場溫度場EnergyEq.EnergyconservationlawContinuityEq.MomentumEq.MomentumconservationlawMassconservationlaw對流換熱微分方程式傳熱學(xué)HeatTransfer1.簡化假設(shè)一、能量微分方程導(dǎo)出2.基本原理Fourier導(dǎo)熱定律能量守恒定律，用于開口系統(tǒng)2D;常物性(△T不大；△P足夠小；流速較低);不可壓縮、牛頓流體；無內(nèi)熱源；不計動能位能的變化；不計流體與壁面間的輻射換熱。傳熱學(xué)HeatTransfer外界導(dǎo)入微元體的凈熱流量熱力學(xué)內(nèi)能增量傳熱學(xué)HeatTransferIncompressiblefluid傳熱學(xué)HeatTransfer3.討論(1)對流換熱過程中，熱量傳遞除了依靠流體流動所產(chǎn)生的對流項外，還有導(dǎo)熱引起的擴(kuò)散項，對流與導(dǎo)熱綜合傳遞熱量(2)u=v=0，純導(dǎo)熱方程，對流換熱能量微分方程是導(dǎo)熱微分方程的推廣傳熱學(xué)HeatTransfer二、2D,Constantthermophysicalproperties,Incompressible,Newtonianfluid5個方程，5個未知量—理論上可解傳熱學(xué)HeatTransfer§5-3對流換熱的邊界層方程組一、流動邊界層定義：當(dāng)流體流過固體壁面時,由于流體粘性的作用,使得在固體壁面附近存在速度發(fā)生劇烈變化的薄層稱為流動邊界層或速度邊界層。2.速度邊界層厚度d：速度等于99%主流速度。傳熱學(xué)HeatTransfer如：20℃空氣在平板上以16m/s的速度流動，在1m處邊界層的厚度約為5mm。3.特點：邊界層厚度d是比壁面尺度l小一個數(shù)量級以上的小量。d<<l空氣沿平板流動時邊界層厚度變化的情況速度邊界層厚度傳熱學(xué)HeatTransfer4.邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)：也有層流和湍流之分。層流底層湍流核心對于外掠平板的流動，一般取臨界雷諾數(shù)傳熱學(xué)HeatTransfer傳熱學(xué)HeatTransfer5.引入速度邊界層的意義：流動區(qū)域可分為主流區(qū)和邊界層區(qū)，主流區(qū)可看作理想流體的流動，只在邊界層區(qū)才需要考慮流體的粘性作用。xy0lxdu∞主流區(qū)邊界層區(qū)傳熱學(xué)HeatTransfer二、溫度邊界層(熱邊界層)定義：在對流換熱時，固體壁面附近溫度發(fā)生劇烈變化的薄層稱為溫度邊界層或熱邊界層。2.溫度邊界層厚度dt的規(guī)定：過余溫度等于99%主流區(qū)流體的過余溫度。傳熱學(xué)HeatTransfer思考：熱邊界層厚度可否定義成tδ＝99％t∞？傳熱學(xué)HeatTransfer3.特點：溫度邊界層厚度dt也是比壁面尺度l小一個數(shù)量級以上的小量。dt<<l4.引入溫度邊界層的意義：溫度場也可分為主流區(qū)和邊界層區(qū)，主流區(qū)流體中的溫度變化可看作零，因此，只需要確定邊界層區(qū)內(nèi)的流體溫度分布。傳熱學(xué)HeatTransfer流體的運動粘度反映了流體中由于分子運動而擴(kuò)散動量的能力，這一能力越大，粘性的影響傳遞越遠(yuǎn)，因而流動邊界層越厚。相類似，熱擴(kuò)散率越大則溫度邊界層越厚。普朗特數(shù)反映了流動邊界層與溫度邊界層厚度的相對大小。δδtPr>1δtδPr<15.比較δ與δt的相對大小傳熱學(xué)HeatTransfer根據(jù)普朗特數(shù)的大小，流體一般可分為三類：（1）高普朗特數(shù)流體，如一些油類的流體，在102~103的量級；（2）中等普朗特數(shù)的流體，0.7~10之間，如氣體為0.7~1.0,水為0.9~10；（3）低普朗特數(shù)的流體,如液態(tài)金屬等，在0.01的量級。傳熱學(xué)HeatTransfer邊界層總結(jié)：流場區(qū)域可以分為邊界層區(qū)和主流區(qū)邊界層內(nèi)及很大

邊界層內(nèi)流動狀態(tài)分為層流與湍流，湍流邊界層又分為湍流核心與層流底層傳熱學(xué)HeatTransfer三、邊界層微分方程組邊界層微分方程組是指對邊界層區(qū)域的數(shù)學(xué)描述，它是在完整的數(shù)學(xué)描述基礎(chǔ)上根據(jù)邊界層的特點簡化而得到。簡化可采用數(shù)量級分析的方法。xy0lxdu∞主流區(qū)邊界層區(qū)傳熱學(xué)HeatTransfer以穩(wěn)態(tài)、二維、常物性、不可壓縮流體的對流換熱問題為例，其微分方程組可表示為：傳熱學(xué)HeatTransfer1.數(shù)量級分析方法的基本思想分析比較方程中等號兩側(cè)各項的數(shù)量級大小，在同一側(cè)內(nèi)保留數(shù)量級大的項而舍去數(shù)量級小的項2.實施方法①列出所研究問題中幾何變量及物理變量的數(shù)量級的大小，一般以1表示數(shù)量級大的物理量的量級。以Δ表示小的數(shù)量級(至于Δ比1小多少，沒有嚴(yán)格規(guī)定，一般至少小兩個數(shù)量級)②導(dǎo)數(shù)中導(dǎo)數(shù)的數(shù)量級由自變量及因變量的數(shù)量級代入獲得傳熱學(xué)HeatTransfer3.能量方程的簡化設(shè)x數(shù)量級為1，則y數(shù)量級為Δ（小量級），x~1，板長L~1，y~Δ，δ~Δ傳熱學(xué)HeatTransfer簡化后傳熱學(xué)HeatTransfer4.邊界層微分方程的特點(1)邊界層由橢圓型方程簡化到拋物線型。略去動量方程和能量方程中主流方向的二階導(dǎo)數(shù)項。(2)方程少了一個，變量少了一個(3)定解條件：14個減少到7個傳熱學(xué)HeatTransfer四、外掠等溫平板層流流動下對流換熱問題的分析解(2)

雷諾數(shù)：(1)努塞爾數(shù)Nux：(3)

層流流動的判別條件：傳熱學(xué)HeatTransfer對于長度為l的等溫平板，其平均的努塞爾數(shù)如何計算？思考：比較Nu數(shù)與Bi數(shù)的區(qū)別傳熱學(xué)HeatTransfer五、局部對流換熱系數(shù)與邊界層的關(guān)系傳熱學(xué)HeatTransfer層流：溫度呈拋物線分布湍流邊界層貼壁處的溫度梯度明顯大于層流，湍流換熱比層流換熱強(qiáng)湍流：溫度呈冪函數(shù)分布傳熱學(xué)HeatTransfer六、應(yīng)用邊界層概念應(yīng)注意的問題(1)上述邊界層概念及分析是以沿平板的無界外部流動為例進(jìn)行介紹的，內(nèi)部流動的邊界層情況不同(2)在平板前緣很短的一段距離內(nèi)，邊界層理論不適用(3)若出現(xiàn)邊界層脫體，或發(fā)生回流情況，邊界層的特性也將改變(4)對于高普朗特數(shù)的油類和低普朗特數(shù)的液態(tài)金屬，邊界層的分析也不適用傳熱學(xué)HeatTransfer§5-4

邊界層積分方程組的求解及比擬理論一、邊界層積分方程組1.基本思想邊界層微分方程:要求對邊界層內(nèi)每一個微元體都滿足守恒定律邊界層積分方程:對包括固體邊界及邊界層外邊界在內(nèi)的有限大小的控制容積滿足動量及能量守恒定律即可。傳熱學(xué)HeatTransfer2.用邊界層積分方程求解對流換熱問題的基本步驟:(1)針對包括固體邊界及邊界層外邊界在內(nèi)的有限大小的控制容積，建立邊界層積分方程(對有限大小的控制容積建立動量及熱量平衡/對邊界層微分方程作積分)(2)對邊界層內(nèi)的速度和溫度分布作出假設(shè)，常用的函數(shù)形式為多項式(3)利用邊界條件確定速度和溫度分布中的常數(shù)，然后將速度分布和溫度分布代入積分方程，解出和t的計算式(4)根據(jù)求得的速度分布和溫度分布計算固體邊界上的傳熱學(xué)HeatTransfer能量積分方程：動量積分方程：兩個方程，4個未知量：u,t,,t。要使方程組封閉，還必須補充兩個有關(guān)這4個未知量的方程。這就是關(guān)于u和t的分布方程。傳熱學(xué)HeatTransfer2.主要求解結(jié)果邊界層中的速度分布：無量綱溫度分布：離開前緣處流動邊界層厚度的無量綱表達(dá)式：局部努塞爾數(shù)：平均努塞爾數(shù)：傳熱學(xué)HeatTransfer§5-5相似原理及量綱分析實驗研究仍然是解決復(fù)雜對流換熱問題的主要方法,相似原理則是指導(dǎo)實驗研究的理論。相似原理可以回答如下問題：如何安排實驗？并應(yīng)該測量哪些量？實驗后如何整理實驗數(shù)據(jù)？獲得的結(jié)果可以推廣應(yīng)用的條件是什么？傳熱學(xué)HeatTransfer一、相似的概念(similarity,similar)1.幾何相似圖形各對應(yīng)邊成比例

凡人皆等高，人身高/手長＝2.5傳熱學(xué)HeatTransfer２.物理量場相似同名的物理量在所有對應(yīng)時刻、對應(yīng)地點的數(shù)值成比例。例：流體在圓管內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動時速度場相似，則傳熱學(xué)HeatTransfer３.物理現(xiàn)象相似對于兩個同類的物理現(xiàn)象，如果在相應(yīng)的時刻與相應(yīng)的地點上與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對應(yīng)成比例，則稱此兩現(xiàn)象彼此相似。如，對于兩個穩(wěn)態(tài)的對流換熱現(xiàn)象，如果彼此相似，則必有換熱面的幾何形狀相似、溫度場、速度場及物性場相似等。

同類現(xiàn)象是指用相同形式和內(nèi)容的微分方程式（控制方程+單值性條件方程）所描述的現(xiàn)象。不同類現(xiàn)象(如電場與溫度場)，analogy/similarity傳熱學(xué)HeatTransfer二、相似原理相似原理表述物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)、相似準(zhǔn)則間的關(guān)系及相似判別的準(zhǔn)則。1.相似的性質(zhì)彼此相似的物理現(xiàn)象，同名的相似特征數(shù)（準(zhǔn)則數(shù)）相等。兩相似的物理現(xiàn)象，其與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對應(yīng)成比例，但是各比例系數(shù)不是任意的，它由描述現(xiàn)象的微分方程相互制約，該制約關(guān)系可由相似特征數(shù)表示。傳熱學(xué)HeatTransfer①相似分析法相似分析法、量綱分析法等方法得到相似特征數(shù)。假設(shè)對流換熱現(xiàn)象A與對流換熱現(xiàn)象B相似，根據(jù)物理現(xiàn)象相似的定義，它們必須是同類的對流換熱現(xiàn)象，用形式和內(nèi)容完全相同的方程來描寫，并且所有的物理量場必須相似。于是，由對流換熱過程方程式可得傳熱學(xué)HeatTransfer現(xiàn)象A：

現(xiàn)象B：

傳熱學(xué)HeatTransfer②量綱分析法(dimensionalanalysis)Π定律：一個表示n個物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包含n-r個獨立的無量綱物理量群之間的關(guān)系，r為n個量綱涉及的基本量綱Π定理方法充要條件n個物理量r個獨立基本量n-r個導(dǎo)出量選r個獨立基本量組成n-r個獨立Π數(shù)量綱分析方法等量綱和諧原理傳熱學(xué)HeatTransfer國際單位制中的7個基本量：長度[m]，質(zhì)量[kg]，時間[s]，溫度[K]，電流[A]，物質(zhì)的量[mol]，發(fā)光強(qiáng)度[cd]上面涉及了4個基本量綱：時間[T]，長度[L]，質(zhì)量[M]，溫度[]r=4傳熱學(xué)HeatTransfern–r=3，即應(yīng)該有三個無量綱量，因此，選定4個基本物理量，與其它量組成三個無量綱量。選u,d,,為基本物理量b.組成三個無量綱量

c.求解待定指數(shù)，以1

為例a.確定相關(guān)的物理量n及基本量綱r

傳熱學(xué)HeatTransfer傳熱學(xué)HeatTransfer單相、強(qiáng)制對流傳熱學(xué)HeatTransfer根據(jù)相似的這種性質(zhì)，在實驗中就只需測量各準(zhǔn)則所包括的量，避免了測量的盲目性，解決了實驗中測量哪些量的問題。傳熱學(xué)HeatTransfer2.相似準(zhǔn)則數(shù)間的關(guān)系描述現(xiàn)象的微分方程組的解，原則上可以用相似特征數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系表示。對于無相變強(qiáng)制對流換熱：自然對流換熱：混合對流換熱：按上述關(guān)聯(lián)式整理實驗數(shù)據(jù)，就能得到反映現(xiàn)象變化規(guī)律的實用關(guān)聯(lián)式,從而解決了實驗中實驗數(shù)據(jù)如何整理的問題。傳熱學(xué)HeatTransfer3.判別相似的條件(necessaryandsufficientcondition)①凡同類現(xiàn)象、單值性條件相似、同名已定特征數(shù)相等，那么現(xiàn)象必定相似。②單值性條件：初始條件/邊界條件/幾何條件/物理條件4.綜上，相似原理全面回答了實驗研究中會遇到的三個問題：②實驗結(jié)果應(yīng)整理成特征數(shù)間的關(guān)聯(lián)式③實驗結(jié)果可以推廣應(yīng)用到與實驗相似的情況③已定特征數(shù)：由所研究物理現(xiàn)象中已知量組成的特征數(shù)①實驗時，應(yīng)當(dāng)以相似特征數(shù)作為安排實驗的依據(jù)并測量各特征數(shù)中包含的物理量傳熱學(xué)HeatTransfer§5-6相似原理的應(yīng)用一、應(yīng)用相似原理指導(dǎo)實驗的安排與實驗數(shù)據(jù)的整理1.應(yīng)用相似原理可以大大減少實驗次數(shù)而又得出有一定通用性的結(jié)果2.應(yīng)當(dāng)以已定特征數(shù)為參數(shù)來安排實驗3.相似原理僅指出原則性的聯(lián)系而未具體給出關(guān)系式，常用的整理對流換熱的函數(shù)形式(實驗關(guān)聯(lián)式)為冪函數(shù)形式(準(zhǔn)則方程或特征方程)傳熱學(xué)HeatTransfer實驗結(jié)果應(yīng)表示成待定特征數(shù)與已定特征數(shù)的函數(shù)關(guān)系式中，C、n、m等需由實驗數(shù)據(jù)確定采用作圖法（適用于比較少的實驗點）或最小二乘法確定傳熱學(xué)HeatTransfer0采用最小二乘法確定關(guān)聯(lián)式中各常數(shù)是最可靠的方法冪函數(shù)在對數(shù)坐標(biāo)圖上是直線傳熱學(xué)HeatTransfer①在一定Re數(shù)下獲得不同流體(Pr數(shù)不同)的實驗值，在雙對數(shù)坐標(biāo)上確定指數(shù)m②在不同Re數(shù)下獲得的結(jié)果，以(Nu/Prm)為縱坐標(biāo)，以Re數(shù)為橫坐標(biāo)，在雙對數(shù)坐標(biāo)上作圖獲得n以及C。n為直線的斜率，C為lgRe=0時直線在縱坐標(biāo)上的截距傳熱學(xué)HeatTransfer①特征長度按準(zhǔn)則式規(guī)定的方式選取②定性溫度按規(guī)定的方式選取4.應(yīng)用特征數(shù)方程的注意事項③準(zhǔn)則方程式不能任意推廣到得到實驗關(guān)聯(lián)式的實驗依據(jù)之外二、應(yīng)用相似原理指導(dǎo)?；瘜嶒?.模化實驗：用不同于實物尺寸的模型來研究實際物體中所進(jìn)行物理過程的實驗。(通?？s小模型)2.要做到完全相似決非易事，保證對現(xiàn)象起決定作用的準(zhǔn)則數(shù)相等(近似?；?傳熱學(xué)HeatTransfer三、常見相似準(zhǔn)則數(shù)的物理意義Nu—流體在壁面處法向無量綱過余溫度梯度。1.努塞爾數(shù)2.雷諾數(shù)Re—流體慣性力與粘性力的相對大小。Pr—流體動量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力相對大小。3.普朗特數(shù)Gr—流體浮升力與粘性力的相對大小。4.格拉曉夫數(shù)傳熱學(xué)HeatTransfer§5-7內(nèi)部流動強(qiáng)制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式一、管槽內(nèi)強(qiáng)制流動與換熱的特點1.外部流動與內(nèi)部流動的區(qū)別外部流動是指流體邊界層的發(fā)展一般不會受到阻礙的流動內(nèi)部流動過程中，固體表面上流體在其成長過程中可能受到另一側(cè)固體表面的限制，形成邊界層干擾或匯合傳熱學(xué)HeatTransfer2.流動入口段：速度邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心3.換熱入口段：熱邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心，換熱強(qiáng)度由最高而逐漸減弱①x↑,h↓,→②hm

>hx③充分發(fā)展段，傳熱學(xué)HeatTransfer4.兩種典型邊界條件下，換熱入口段的平均溫度曲線uniformheatflux/uniformwalltemp傳熱學(xué)HeatTransfer5.Turbulentflow傳熱學(xué)HeatTransfer6.特征長度；截面平均速度；截面平均溫度傳熱學(xué)HeatTransfer二、管內(nèi)湍流換熱實驗關(guān)聯(lián)式1.通式①三大特征量特征尺度：內(nèi)徑di定性溫度：tf

=(tin+tout)/2流速：②適用范圍a.Re=104-1.2×105，旺盛湍流b.Pr=0.7-120，包括空氣、水、油c.l/d≥60，平均換熱系數(shù)，如果短管，修正傳熱學(xué)HeatTransferd.△t=tw

-tf氣≤50℃水≤20℃油≤10℃中等溫差，非tin-toute.邊界條件，給定溫度或給定熱流邊界均可f.不適用于液態(tài)金屬，Pr~10-2③關(guān)于n取值(常溫常壓下，氣體Pr<1，液體Pr>1)④Nu→h=(λ/d)Nu→Φ=hA△t傳熱學(xué)HeatTransfer2.應(yīng)用范圍擴(kuò)大③大溫差(突破中等溫差極限)，Ct對變物性修正④非圓截面氣體被加熱，Ct<1①短管l/d<60②彎管(螺旋管)，Cr氣體被冷卻，Ct=1液體被加熱或被冷卻當(dāng)量直徑de(equivalent)傳熱學(xué)HeatTransfer3.綜合表達(dá)式①ρ，0.8次冪，影響最大，其次為λ②u,0.8次冪

：1m/s→1.5m/s，h↑40%③d↓，h↑傳熱學(xué)HeatTransfer4.Gnielinski公式①形式②三大特征量，同D-B③適用范圍：Ref=2300-106，Prf

=0.6-105,管長修正已在公式中體現(xiàn)④Ct，反映物性影響參數(shù)⑤該關(guān)聯(lián)式精度高，適用范圍廣，目前被國際上普遍接受。如果用計算機(jī)求解，則方便Filonenko公式傳熱學(xué)HeatTransfer5.說明①對湍流，熱邊界條件的影響可以忽略不計(UHF,UWT)②注意不同公式的適用范圍③偏差>±25%，偏差<±20%④長為l一段光滑管內(nèi)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)傳熱學(xué)HeatTransfer①對于多數(shù)液體換熱器(Pr>1，通常為油類)，層流時換熱整個管子都可能處于入口段而未進(jìn)入充分發(fā)展段②換熱的熱邊界條件對換熱影響顯著(表5-3)③層流充分發(fā)展段Nu與Re無關(guān)三、管內(nèi)層流強(qiáng)制對流換熱1.層流換熱特點傳熱學(xué)HeatTransfer2.推薦關(guān)聯(lián)式Sieder-Tate①形式②三大特征量，同D-B,f表示取流體平均溫度為定性溫度③適用范圍：ηf/ηw=0.0044-9.75，Prf

=0.48-16700④截面上溫差的修正已由ηf/ηw考慮⑤關(guān)聯(lián)式適用于均勻壁溫，但實際工程應(yīng)用時并不強(qiáng)調(diào)UHF/UWT傳熱學(xué)HeatTransfer例題傳熱學(xué)HeatTransfer§5-8外部流動強(qiáng)制對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式一、外掠等溫平板(laminarflow,Re<5×105)1.公式①特征尺度：板長(局部為x，平均為l)2.注意②定性溫度：tm=(t∞+tw)/2③x↑，δ↑，h↓傳熱學(xué)HeatTransfer二、外掠單管(flowacrosssinglecylinder)1.流動特點①前半周，加速流動②脫體，flowseperation③后半周，減速流動④脫體位置取決于Re數(shù)，傳熱學(xué)HeatTransfer2.局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)①一個實際問題：內(nèi)部均勻加熱的圓柱放在空氣中吹風(fēng)冷卻，圓柱表面何處溫度最高？②溫度最高點，層流：湍流:傳熱學(xué)HeatTransfer3.平均Nu①關(guān)聯(lián)式②注意：a.氣體及液體通用，tm=(tw+t∞)/2，d-外徑，u∞c.C,n取決于b.Re=0.4-4×105傳熱學(xué)HeatTransfer4.應(yīng)用舉例—熱線風(fēng)速儀傳熱學(xué)HeatTransfer三、外掠管束(flowacrosstubebanks)1.流動與換熱特點①與單管相比，存在管之間的相互影響②流動方式有順排(in-linetuberow)和叉排(staggered)之別③后排易受前排影響，但n>10消失④沖刷方向有影響(沖角)傳熱學(xué)HeatTransfer2.平均換熱特性的實驗關(guān)聯(lián)式傳熱學(xué)HeatTransfer例題5-7,P178傳熱學(xué)HeatTransfer§5-9自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式一、工程背景1.暖氣管散熱4.冰箱(冰箱里食物不要裝得太滿)2.室外變壓器散熱3.事故條件下核反應(yīng)堆散熱5.電子器件冷卻傳熱學(xué)HeatTransfer二、現(xiàn)象及特點1.定義：自然對流是由于流體中各部分密度不均勻而引起的一種流動與換熱現(xiàn)象，其流動與換熱過程不可分割地聯(lián)系在一起①驅(qū)動力：溫度場不均勻;重力作用②不均勻的溫度場不一定引起自然對流③與強(qiáng)制對流不同，不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動2.理解④換熱很弱，通常為主要熱阻，但經(jīng)濟(jì)、安全、平靜⑤物體表面上總換熱量常需同時考慮與周圍氣體間的自然對流以及與周圍其它表面間的輻射換熱(50%)傳熱學(xué)HeatTransfer3.自然對流換熱現(xiàn)象的速度與溫度分布特點Tw

>T∞思考：Tw

<T∞傳熱學(xué)HeatTransfer①層流②湍流③判別流態(tài)的特征數(shù)是Gr數(shù)，類比于Re數(shù)，不是(GrPr)4.自然對流的兩種流動形態(tài)4.分類①大空間(邊界層不受干擾)(infinitespace)②有限空間(空間大小對換熱效果有影響)(naturalconvectioninenclosure)傳熱學(xué)HeatTransfer傳熱學(xué)HeatTransfer傳熱學(xué)HeatTransfer三、自然對流換熱現(xiàn)象的控制方程及相似特征數(shù)1.以豎直平板上空氣被加熱為例浮升力(buoyancyforce)是重力與壓力梯度綜合作用結(jié)果傳熱學(xué)HeatTransfer2.相似特征數(shù)的導(dǎo)出無量綱化浮升力與粘性力之比的一種度量傳熱學(xué)HeatTransfer3.相似特征數(shù)方程四、大空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式1.均勻壁溫①實用關(guān)聯(lián)式形式②說明C及n見表5－12，tm=(tw+t∞)/2，特征長度為表面高度l(豎平板及豎圓柱)，外徑d(橫圓柱)a.上式雖然是對均勻壁溫得出，但對非均勻壁溫情形也近似適用，取其平均壁溫計算b.Gr中α，氣體按理想氣體處理，α=1/T，液體查物性手冊傳熱學(xué)HeatTransferd.豎圓柱可以歸為豎壁的條件：c.一般:e.在湍流范圍以內(nèi)，Nu中的l與Gr中的l可以消掉，h與高度l無關(guān)，“自模化”2.均勻熱流傳熱學(xué)HeatTransfer五、有限空間自然對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式兩種最簡單而典型的有限空間自然對流1.豎夾層(雙層窗)2.水平夾層(太陽能集熱器的空氣夾層)傳熱學(xué)HeatTransfer3.特點：夾層厚度對流動開展有重要影響，冷熱面溫差是引起流動的動力，一般以δ為特征長度，(th

-tc)為計算Gr的溫差另外經(jīng)常需考慮輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer4.實驗關(guān)聯(lián)式傳熱學(xué)HeatTransfer思考題：1.對流換熱是如何分類的?影響對流換熱的主要物理因素.2.對流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫中包括那些方程?3.自然對流和強(qiáng)制對流在數(shù)學(xué)方程的描述上有何本質(zhì)區(qū)別?4.從流體的溫度場分布可以求出對流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)),其物理機(jī)理和數(shù)學(xué)方法是什么?5.速度邊界層和溫度邊界層的物理意義和數(shù)學(xué)定義.6.管外流和管內(nèi)流的速度邊界層有何區(qū)別?7.為什么說層流對流換熱系數(shù)基本取決與速度邊界層的厚度?8.從邊界層積分方程的應(yīng)用結(jié)果來說明.9.為什么溫度邊界層厚度取決與速度邊界層的厚度?10.對十分長的管路,為什么在定性上可以判斷管路內(nèi)層流對流換熱系數(shù)是常數(shù)?傳熱學(xué)HeatTransfer11.如何使用邊界層理論簡化對流換熱微分方程組?12.如何將邊界層對流換熱微分方程組轉(zhuǎn)化為無量綱形式?13.為什么說對強(qiáng)制對流換熱問題,總可以有:Nu=f(Re,Pr)

的數(shù)學(xué)方程形式?14.什么是特性長度和定性溫度?選取特性長度的原則是什么?15.對管內(nèi)流和管外流,Re準(zhǔn)則數(shù)中的特性長度的取法是不一樣的.說明其物理原因.16.當(dāng)量水利直徑的定義和計算方法.17.湍流動量擴(kuò)散率,湍流熱擴(kuò)散率,湍流普朗特數(shù)是如何定義的?它們是物性么?18.什么是雷諾比擬?它怎樣推導(dǎo)出摩擦系數(shù)和對流換熱系數(shù)間的比擬關(guān)系式?19.什么是相似原理?判斷物理相似的條件?相似原理在工程中有什么作用?傳熱學(xué)HeatTransfer20.比擬和相似之間有什么聯(lián)系和區(qū)別?21.使用相似分析法推導(dǎo)準(zhǔn)則關(guān)系式的基本方法.22.使用定理推導(dǎo)準(zhǔn)則關(guān)系式的基本方法.23.Nu,Re,Pr,Gr準(zhǔn)則數(shù)的物理意義.24.在有壁面換熱條件時,管內(nèi)流體速度分布的變化特點.25.管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱系數(shù)及換熱量的計算方法.如何確定特性長度和定性溫度?26.流體橫瓊單管和管束時對流換熱的計算方法.27.豎壁附近自然對流的溫度分布,速度分布的特點?換熱系數(shù)的特點?28.大空間自然對流換熱的計算方法.如何確定橫管和豎管的特性長度?29.如何區(qū)分自然對流是屬于大空間自然對流還是受限空間自然對流?傳熱學(xué)HeatTransfer30.如何計算物體表面自然對流和輻射換熱同時需要考慮的換熱問題?31.如何使用實驗數(shù)據(jù)整理對流換熱準(zhǔn)則數(shù)實驗方程式?32.對自然對流換熱,自?；奈锢硪饬x及工程應(yīng)用意義.傳熱學(xué)HeatTransfer本章典型題分析:一、選擇題型：1、流體以層流掠過平板時，在x長度內(nèi)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hm與x處局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx之比為——。

A．1：3B．1：2C．2：1D．3：12、常物性流體在管內(nèi)流動進(jìn)行對流換熱，當(dāng)進(jìn)入熱充分發(fā)展段時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hx將沿程——。

A．不變B．增大

c．減大D．先增大再減小3、水以相同的速度、相同的溫度及相同邊界條件下沿不同管徑的管內(nèi)作受迫紊流換熱，兩個管子的直徑分別是d1和d2，其中dl<d2，管長與管徑比大于60，當(dāng)管壁溫度大于流體溫度，則對應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為h1，和h2，則h1和h2的關(guān)系是——。

A．hl／h2=(dl／d2)0.1B．hl／h2=(d2／d1)

0.1C．hl／h2=(dl／d2)

0.2D．hl／h2=(d2／d1)0.24、流體外掠光滑管束換熱時，第一排管子的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與后排管子平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相比，第一排管子的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)——。

A．小B．大

C．與其他各排相同D．不確定傳熱學(xué)HeatTransfer5、常物性流體管內(nèi)受迫流動，沿管長流體的斷面平均溫度，在常熱流邊界條件下呈——變化，在常壁溫邊界條件下呈——規(guī)律變化。

A．對數(shù)曲線，對數(shù)曲線B．對數(shù)曲線，線性

C．線性，線性D．線性，對數(shù)曲線6、常物性流體自然對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的形式為——。

A．Nu=CGrmPrn(n≠m)B．Nu=C(Gr．Pr)nC．Nu=C(GrRe)nD．Nu=CRenPrm7、無限空間自然對流，在常壁溫或常熱流邊界條件下，當(dāng)流態(tài)達(dá)到旺盛紊流時，沿程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將——。

A．增大B．不變

C．減小D．開始減小，而后增大8、在——條件下，熱邊界層厚度與流動邊界層厚度是相等的。

A．Pr<1B．Pr>1C．Pr=1D．不確定傳熱學(xué)HeatTransfer9、下列說法錯誤的是——。

A．Gr準(zhǔn)則表征了浮升力與黏滯力的相對大小，反映自然對流流態(tài)對換熱的影響；

B．Nu準(zhǔn)則表征壁面法向無量綱過余溫度梯度的大小，能反映對流換熱的強(qiáng)弱；

C．Pr準(zhǔn)則反映了動量擴(kuò)散和熱量擴(kuò)散的相對大小，Pr準(zhǔn)則也稱為物性準(zhǔn)則；

D．Re準(zhǔn)則表征了慣性力與黏滯力的相對大小，反映自然對流流態(tài)對換熱的影響。10、下列工質(zhì)中Pr數(shù)最小的是——。A．空氣C．變壓器油B．水D．水銀11、判斷同類現(xiàn)象是否相似的充分必要條件為——。A．單值性條件相似，已定的同名準(zhǔn)則相等B．物理條件和幾何條件相似，已定的同名準(zhǔn)則相等C．物理條件和邊界條件相似，已定的同名準(zhǔn)則相等D．幾何條件和邊界條件相似，已定的同名準(zhǔn)則相等傳熱學(xué)HeatTransfer12、管內(nèi)受迫對流換熱，當(dāng)管內(nèi)流速增加一倍時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加比例最大的是——。

A．層流B．過渡流

C．紊流光滑區(qū)D．紊流粗糙區(qū)13、同一流體以同一流速分別進(jìn)行下列情況對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大的是——。

A．橫掠單管B．在管內(nèi)流動

C．縱掠平板D．縱掠單管14、空氣夾層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λ之比為——。

A．小于1B．等于1C