《熱工基礎(chǔ)》----傳熱學(xué)篇第10章對流傳熱§10-1

對流傳熱的基本概念第10章對流傳熱主要內(nèi)容

（1）對流傳熱的基本概念及影響因素；

（2）對流傳熱的數(shù)學(xué)描述方法；

（3）邊界層理論及相似理論。為求解對流換熱問題奠定必要的理論基礎(chǔ)。

10.1.1對流傳熱過程10.1.1對流傳熱過程對流換熱的定義和機(jī)理對流換熱：流體流過固體壁面時(shí)，由于兩者溫度不同而發(fā)生的熱量傳遞過程。2.對流換熱的特點(diǎn)(1)導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)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(yùn)動，也必須有溫差。yt∞u∞

xqwtw

圖表示一個(gè)簡單的對流換熱過程。流體以來流速度u

和來流溫度t

流過一個(gè)溫度為tw的固體壁面。選取流體沿壁面流動的方向?yàn)閤坐標(biāo)、垂直壁面方向?yàn)閥坐標(biāo)。10.1.1對流傳熱過程3.基本計(jì)算式—Newton’sLawofCooling①A:與流體接觸的壁面面積

②約定對流換熱量永遠(yuǎn)取正值10.1.1對流傳熱過程10.1.2影響對流傳熱的因素10.1.2影響對流傳熱的主要因素1.流動起因（Thecauseofmotion）ForcedconvectionMixedconvectionNaturalconvectionLaminarflowTurbulentflowRe:雷諾數(shù)2.流體流動狀態(tài)(Theflowregimes)10.1.2影響對流傳熱的因素3.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）10.1.2影響對流傳熱的因素4.換熱過程有無相變（phasechange）單相換熱：（Singlephaseheattransfer）相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等（Phasechange）：Condensation、Boiling10.1.2影響對流傳熱的因素5.

流體的物理性質(zhì)定壓比熱cp，密度ρ，導(dǎo)熱系數(shù)λ，粘度μ（或運(yùn)動粘度ν)，體脹系數(shù)αV等物性參數(shù)隨流體種類的不同而不同。（流體內(nèi)部和流體與壁面間導(dǎo)熱熱阻小）（單位體積流體能攜帶更多熱量）（有礙流體運(yùn)動，不利于熱對流）（自然對流換熱增強(qiáng)）10.1.2影響對流傳熱的因素10.1.2影響對流傳熱的因素10.1.3邊界層10.1.3邊界層邊界層（Boundarylayer）的概念由德國科學(xué)家普朗特于1904年提出。引入邊界層的原因：對流換熱熱阻大小主要取決于緊靠壁面附近的流體流動狀況，此區(qū)域中速度與溫度變化最劇烈。1.速度邊界層（Velocityboundarylayer）

(1)定義

垂直于壁面的方向上流體流速發(fā)生顯著變化的流體薄層定義為速度邊界層（流動邊界層）。

10.1.3邊界層xy0lxdu∞主流區(qū)邊界層區(qū)(2)速度邊界層厚度10.1.3邊界層

當(dāng)速度變化達(dá)到u/u∞=0.99時(shí)的空間位置為速度邊界層的外邊緣，那么從這一點(diǎn)到壁面的距離就是邊界層的厚度δ(x)?！纠靠諝馔饴悠桨?，u

=10m/s：對于低黏度的流體，如水和空氣等，在以較大的流速流過固體壁面時(shí)，在壁面上流體速度發(fā)生顯著變化的流體層是非常薄的。(3)流動邊界層內(nèi)流態(tài)10.1.3邊界層隨著x的增大，δ(x)也逐步增大，同時(shí)黏性力對流場的控制作用也逐步減弱，從而使邊界層內(nèi)的流動變得紊亂。

把邊界層從層流過渡到紊流的x值稱為臨界值，記為xc，其所對應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，即

10.1.3邊界層流體平行流過平板的臨界雷諾數(shù)大約是

流體在圓管內(nèi)流動的臨界雷諾數(shù)大約是

形成三層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定邊界層

:

層流底層+緩沖層(過渡層)+紊流核心2.熱邊界層（Thermalboundarylayer）

(1)定義

當(dāng)流體流過平板而平板的溫度tw與來流流體的溫度t∞不相等時(shí)，在壁面上方也能形成溫度發(fā)生顯著變化的薄層，常稱為熱邊界層。10.1.3邊界層(2)熱邊界層厚度10.1.3邊界層

當(dāng)壁面與流體之間的溫差達(dá)到壁面與來流流體之間的溫差的0.99倍時(shí)，即(tw-t)/(tw-too)=0.99，此位置就是邊界層的外邊緣，而該點(diǎn)到壁面之間的距離則是熱邊界層的厚度,記為δt(x)。湍流：溫度呈冪函數(shù)分布層流：溫度呈拋物線分布(2)熱邊界層厚度10.1.3邊界層思考：熱邊界層厚度可否定義成tδ＝0.99t∞？10.1.3邊界層流體的運(yùn)動粘度反映了流體中由于分子運(yùn)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。δδtPr>1δtδPr<110.1.3邊界層根據(jù)普朗特?cái)?shù)的大小，流體一般可分為三類高普朗特?cái)?shù)流體，如一些油類的流體，在102~103的量級；中等普朗特?cái)?shù)的流體，0.7~10之間，如氣體為0.7~1.0，水為0.9~10；低普朗特?cái)?shù)的流體，如液態(tài)金屬等，在0.01的量級。小結(jié)10.1.3邊界層邊界層的特點(diǎn)邊界層厚度δ、δt與壁面尺寸相比是很小的量，而δ、δt認(rèn)為是同一數(shù)量級的量；邊界層內(nèi)速度梯度和溫度梯度很大；引入邊界層概念后，流動區(qū)域可分為邊界層區(qū)和主流區(qū)，主流區(qū)可認(rèn)為是理想流體的流動；小結(jié)10.1.3邊界層邊界層的特點(diǎn)邊界層內(nèi)也有層流與湍流兩種狀態(tài)。湍流邊界層分為層流底層、緩沖層與湍流核心層，層流底層內(nèi)的速度梯度與溫度梯度遠(yuǎn)大于核心層；在層流邊界層與層流底層內(nèi)，垂直于壁面方向上的熱量主要依靠導(dǎo)熱，湍流邊界層的主要熱阻在層流底層。10.1.4對流傳熱的基本方程組分析解法：采用數(shù)學(xué)分析求解的方法，有指導(dǎo)意義。比擬法：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。實(shí)驗(yàn)法：通過大量實(shí)驗(yàn)獲得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算公式，是目前的主要途徑。數(shù)值解法：和導(dǎo)熱問題數(shù)值思想一樣，發(fā)展迅速，應(yīng)用越來越多。研究對流換熱的方法對流傳熱微分方程組及其單值性條件一、對流傳熱微分方程假設(shè)：1.流體為連續(xù)性介質(zhì)。當(dāng)流體的分子平均自由行程與換熱壁面的特征長度l相比非常小，一般克努森數(shù)時(shí)，流體可近似為連續(xù)性介質(zhì)。10.1.4對流傳熱的基本方程組2.流體的物性參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度變化。3.流體為不可壓縮性流體。通常流速低于四分之一聲速的流體可以近似為不可壓縮性流體。4.流體為牛頓流體，即切向應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為線性，遵循牛頓公式：5.流體無內(nèi)熱源，忽略粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱。6.二維對流換熱。10.1.4對流傳熱的基本方程組

緊靠壁面處流體靜止，熱量傳遞只能靠導(dǎo)熱，流體導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)牛頓冷卻公式10.1.4對流傳熱的基本方程組如果熱流密度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、溫度梯度及溫差都取整個(gè)壁面的平均值，則有對流傳熱微分方程

建立了對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與溫度場之間的關(guān)系。而流體的溫度場又和速度場密切相關(guān)，所以對流換熱的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該是包括描寫速度場和溫度場的微分方程。——揭示了對流換熱問題的本質(zhì)10.1.4對流傳熱的基本方程組描述對流換熱的方程組溫度場特別是壁面附近的溫度分布溫度場受流場的影響流場連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動量方程動量守恒定律溫度場——能量方程能量守恒定律對流換熱微分方程式qx10.1.4對流傳熱的基本方程組二、

連續(xù)性微分方程和動量微分方程dxxdyy0微元體1.連續(xù)性微分方程（質(zhì)量守恒）2.動量微分方程（動量守恒）納維(N.Navier)-斯托克斯(G.G.Stokes)方程

慣性力壓力差體積力粘性力10.1.4對流傳熱的基本方程組三、

能量微分方程dxxdyy0

單位時(shí)間由導(dǎo)熱進(jìn)入微元體的凈熱量和由對流進(jìn)入微元體的凈熱量之和等于微元體熱力學(xué)能的增加量。即若u=v=0導(dǎo)熱微分方程式10.1.4對流傳熱的基本方程組常物性、無內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體二維對流換熱微分方程組：

4個(gè)方程，4個(gè)未知量，可求得速度場(u,v)、溫度場(t)及壓力場(p)，既適用于層流，也適用于紊流（瞬時(shí)值）10.1.4對流傳熱的基本方程組對流換熱的單值性條件1.幾何條件

說明對流換熱表面的幾何形狀、尺寸，壁面與流體之間的相對位置，壁面的粗糙度等。2.物理?xiàng)l件

說明流體的物理性質(zhì)、物性參數(shù)的數(shù)值及其變化規(guī)律、有無內(nèi)熱源以及內(nèi)熱源的分布規(guī)律等。10.1.4對流傳熱的基本方程組對流換熱的單值性條件3.時(shí)間條件

說明對流換熱過程是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)。對于非穩(wěn)態(tài),應(yīng)給出初始條件（過程開始時(shí)的速度、溫度場）。4.邊界條件第一類邊界條件給出邊界上的溫度分布規(guī)律：第二類邊界條件給出邊界上的熱流密度分布規(guī)律：10.1.4對流傳熱的基本方程組

對流換熱微分方程組和單值性條件構(gòu)成了對一個(gè)具體對流換熱過程的完整的數(shù)學(xué)描述。但由于這些微分方程非常復(fù)雜，尤其是動量微分方程的高度非線性，使方程組的分析求解非常困難。

1904年，德國科學(xué)家普朗特(L.Prandtl)在大量實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上提出了著名的邊界層概念，使微分方程組得以簡化，使其分析求解成為可能。四、

換熱邊界層微分方程組10.1.4對流傳熱的基本方程組xy0lxdu∞主流區(qū)邊界層區(qū)

簡化方法：根據(jù)邊界層的特點(diǎn)，分析對流換熱微分方程中各項(xiàng)的數(shù)量級，忽略高階小量。比較x和y方向的動量微分方程10.1.4對流傳熱的基本方程組對流換熱微分方程組簡化為

三個(gè)未知數(shù)，三個(gè)方程，方程組封閉，對于簡單的層流對流換熱問題，可進(jìn)行分析求解。邊界層類型問題核心特點(diǎn)：主流方向上的二階導(dǎo)數(shù)可忽略，當(dāng)存在漩渦時(shí)，不可采用此簡化方法。10.1.4對流傳熱的基本方程組10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究試驗(yàn)中經(jīng)常遇到的幾個(gè)問題:如何利用有限的資源，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)又能獲得具有通用性的規(guī)律？相似原理將回答上述三個(gè)問題1.變量多A.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)測哪些量（是否所有的物理量都測）B.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何整理（用什么函數(shù)關(guān)系表示實(shí)驗(yàn)研究的物理過程）2.實(shí)驗(yàn)由于種種原因（場地、經(jīng)費(fèi)等）無法復(fù)現(xiàn)原模型，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？10.2.1相似原理簡介

如果兩個(gè)同類的物理現(xiàn)象，在對應(yīng)的時(shí)空點(diǎn)，各標(biāo)量物理量的大小成比例，各向量物理量除大小成比例外，且方向相同，則稱兩個(gè)現(xiàn)象相似。1.物理現(xiàn)象相似相似原理主要包含以下內(nèi)容：1.物理現(xiàn)象相似的定義2.物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)3.相似特征數(shù)之間的關(guān)系4.物理現(xiàn)象相似的條件10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究同類物理現(xiàn)象：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。

電場與溫度場：微分方程相同，內(nèi)容不同。強(qiáng)制對流與自然對流換熱：微分方程的形式和內(nèi)容都有差異。

外掠平板和外掠圓管：控制方程相同，單值性條件不同。時(shí)空點(diǎn)對應(yīng)：幾何相似、時(shí)間相似是必要條件。物理現(xiàn)象相似：在空間、時(shí)間相似的基礎(chǔ)上，影響物理現(xiàn)象的所有物理量分別相似的總和，包括幾何、時(shí)間、運(yùn)動、動力等等。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究2.物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)

以A與B兩個(gè)常物性、無內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體外掠等壁溫平板的對流換熱相似為例：現(xiàn)象A現(xiàn)象B根據(jù)物理量場相似的定義

10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究比較，可以得到：無量綱物理量，稱為努塞爾特?cái)?shù)

兩對流換熱現(xiàn)象相似，其努謝爾特準(zhǔn)則必相等。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究采用同樣的方法，可由動量微分方程式和能量微分方程式導(dǎo)出

這種由描述物理現(xiàn)象的方程式導(dǎo)出特征數(shù)的方法叫作相似分析。Nu、Re、Pr也稱為相似特征數(shù)。

結(jié)論：兩個(gè)常物性、不可壓縮牛頓流體外掠等壁溫平板的對流換熱現(xiàn)象相似，努塞爾數(shù)Nu、雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr分別相等。

物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)：彼此相似的物理現(xiàn)象，同名的相似特征數(shù)相等。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究3.相似特征數(shù)之間的關(guān)系

因?yàn)榕c物理現(xiàn)象有關(guān)的所有物理量都由描寫物理現(xiàn)象的方程式聯(lián)系在一起，所以由這些物理量組成的特征數(shù)之間存在著必然的函數(shù)關(guān)系，這就是前面得出的對流換熱微分方程組解的函數(shù)形式—特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。

由于彼此相似物理現(xiàn)象的同名相似特征數(shù)相等，所以相似物理現(xiàn)象的解必定用同一個(gè)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式來描寫，從一個(gè)物理現(xiàn)象所得到的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式一定適用于與其相似的所有物理現(xiàn)象。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究4.物理現(xiàn)象相似的條件

根據(jù)物理現(xiàn)象相似的定義和性質(zhì)，可以得出物理現(xiàn)象相似必須滿足3個(gè)條件：1)同類現(xiàn)象；2)單值性條件相似；3)同名已定特征數(shù)相等。

對于單相流體的強(qiáng)迫對流換熱，只要已定特征數(shù)Re、Pr相等，待定特征數(shù)Nu也必然相等，因?yàn)镹u是Re、Pr的函數(shù)。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究10.2.2確定特征數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的方法

根據(jù)相似原理對對流傳熱問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)求解，步驟如下：1.對該對流傳熱現(xiàn)象，提出一些簡化的假定條件，建立簡化的物理模型；2.寫出對流傳熱微分方程組和單值性條件；3.將微分方程組無量綱化，得到描述該對流傳熱現(xiàn)象的特征數(shù)，并從中確定已定特征數(shù)和待定特征數(shù)；10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究4.由有關(guān)的特征數(shù)分析出實(shí)驗(yàn)中要測量哪些物理量，擬定測量的物理量的變化范圍和測點(diǎn)分布；5.根據(jù)相似原理和上述要求，設(shè)計(jì)并制造安裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按預(yù)定順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄每一工況的原始數(shù)據(jù)；6.將原始數(shù)據(jù)整理成各試驗(yàn)點(diǎn)相關(guān)的特征數(shù)，通過最小二乘法或作圖法求出待定特征數(shù)與已定特征數(shù)函數(shù)關(guān)聯(lián)式，并注明關(guān)聯(lián)式的適用范圍。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究

對于工程上常見的無相變單相流體強(qiáng)迫對流換熱，其特征數(shù)關(guān)聯(lián)式一般寫成冪函數(shù)的形式：

對于氣體的強(qiáng)迫對流換熱，Pr基本上等于常數(shù)。0冪函數(shù)在對數(shù)坐標(biāo)圖上是直線10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究

對于一般流體的強(qiáng)迫對流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式n的數(shù)值通常直接采用前人通過理論分析或?qū)嶒?yàn)研究獲得的數(shù)據(jù)。例如：對于層流，取n=1/3；對于湍流，取n=0.4或其它數(shù)值。C和m的數(shù)值用同一種流體在不同的Re下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定。應(yīng)用特征數(shù)方程的注意事項(xiàng)準(zhǔn)則方程式不能任意推廣到得到實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)范圍之外三大特征量的選?。ㄌ卣髁魉伲卣鳒囟?，特征長度）為什么修正？如何修正？10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究特征數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍

從一個(gè)物理現(xiàn)象所獲得的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式適用于與其相似的所有物理現(xiàn)象。

由于單相流體強(qiáng)迫對流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式是在一定的Re、Pr變化范圍內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)獲得的，并且關(guān)系式中的常數(shù)大小還與特征長度、定性溫度的選擇有關(guān)，所以每一個(gè)對流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式只適用于一定的Re、Pr范圍及確定的特征長度與定性溫度。10.2對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用10.3.1管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱的特點(diǎn)及影響因素1.管內(nèi)的流動狀態(tài)對于工業(yè)和日常生活中常用的光滑管道流動狀態(tài)判斷（Re）：層流過渡流湍流判別條件2.物性不均勻的影響

換熱時(shí)流體溫度場不均勻，會引起物性的不均勻。其中粘度隨溫度的變化最大，粘度場的不均勻會影響速度場，因此影響對流換熱。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用這種溫度場導(dǎo)致速度場變化對對流傳熱系數(shù)產(chǎn)生影響，用溫差修正系數(shù)加以修正。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用3.流動入口段的影響熱進(jìn)口段：流動進(jìn)口段：對于管內(nèi)層流，進(jìn)口段長度：10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用熱進(jìn)口段的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化

進(jìn)口段邊界層沿x方向由薄變厚，hx由小變大，對流換熱逐漸減弱。

由于進(jìn)口段的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，所以對于短管內(nèi)的對流換熱，需要考慮進(jìn)口段的影響。對于管內(nèi)湍流換熱，只要l/d>60，就可忽略進(jìn)口段的影響。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用4.非圓截面和彎曲管道的影響

管道彎曲，離心力的作用會在流體內(nèi)產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動，使對流換熱得到強(qiáng)化。彎管的曲率半徑越小，流速越大，二次環(huán)流的影響越大。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用4.非圓截面和彎曲管道的影響

對于非圓形截面槽道，可以采用當(dāng)量直徑de作為特征尺寸，則可近似應(yīng)用對圓管得出的湍流傳熱公式Ac：槽道流通截面積P：濕周——過流斷面上，流體與固體壁面接觸的周界線10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用10.3.2管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式1.湍流強(qiáng)迫換熱

迪圖斯一貝爾特（Dittus—Boelter）公式：得到的是平均換熱系數(shù)適用條件：

對于流體與管壁溫度相差不大的情況（氣體：

t<50℃；水:

t<30℃；油:

t<10℃）不符合使用條件時(shí)，需要修正。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用短管修正系數(shù)如果如果流體與壁面溫差較大10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用如果彎曲管道工程實(shí)際應(yīng)用的迪圖斯一貝爾特（Dittus—Boelter）公式：

以上公式對等熱流和等壁溫邊界條件都適用，可用于一般光滑管道內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱的工程計(jì)算，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差較大，有時(shí)可達(dá)25%。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用格尼林斯基(Gnilinski)公式（1976）

適用條件：阻力系數(shù)：物性場不均勻的修正系數(shù)：10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用

將格尼林斯基公式分別用于氣體和液體，可以得到下面進(jìn)一步簡化的公式：氣體液體

格尼林斯基公式不僅適用于旺盛湍流換熱，也適用于從層流到湍流之間的過渡流換熱。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用賽得爾－塔特（Seider-Tate）公式：下角標(biāo)f表示定性溫度為流體的平均溫度tf

適用條件：

只適用于嚴(yán)格的層流流動,小直徑,小溫差的橫管?？紤]入口效應(yīng)考慮非等溫流動中溫度場對對流換熱系數(shù)的影響10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能夠自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。10.3.2外掠物體時(shí)的強(qiáng)迫對流10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用一、外掠平板1.層流換熱

定性溫度：邊界層的平均溫度

定型尺寸：板長l

（x）

適用條件：（臨界雷諾數(shù)）10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用2.湍流換熱

定性溫度：邊界層的平均溫度

定型尺寸：板長l

（x）

適用條件：10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用3.混合邊界層

對于由層流邊界層過渡到湍流邊界層的整個(gè)平板，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按層流段和湍流段分別積分求平均對于等壁溫平板10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用定性溫度：邊界層的平均溫度

定型尺寸：板長l

（x）

適用條件：二、

橫掠單管10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用壓力減小壓力增加123p1>p2<p3u1<u2>u310.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用1.流動的特點(diǎn)脫體點(diǎn)的位置取決于Re的大?。簩恿鬟吔鐚舆吔鐚釉诿撾x前轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?0.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。低雷諾數(shù)時(shí)，回升點(diǎn)反映了繞流脫體的起點(diǎn)。高雷諾數(shù)時(shí)，第一次回升是層流轉(zhuǎn)變成湍流的原因，第二次回升約在φ=140°處，則是由于脫體的緣故。2.橫掠單管繞流對流換熱的特點(diǎn)10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用3.橫掠單管的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式采用基于不同Re范圍的分段冪次函數(shù)表示。

定型尺寸：管外徑do定性溫度：邊界層的平均溫度

計(jì)算流速：來流流速10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用式中，C和n的值如表所示若來流方向與圓管軸線夾角ψ<90°時(shí)，對流換熱將減弱。當(dāng)ψ=30°~90°時(shí)，可在流體橫掠單管時(shí)的換熱平均傳熱系數(shù)上乘以修正系數(shù)εψ10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用注意：1.適用范圍：t∞＝15.5～980℃，tw＝21～1046℃，

Re＝0.4～4×1052.對于氣體和液體均適用；3.計(jì)算時(shí)需要分段取值；10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用三、

橫掠管束10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用1.流動和換熱的特征

管束的排列方式有順排和叉排兩種形式。叉排流動擾動劇烈，換熱強(qiáng)，但阻力損失大；順排擾動小，換熱弱，但是阻力小，且易于清洗；順排叉排最小截面10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用2.影響管束平均傳熱性能的因素流動Re數(shù)、流體的Pr數(shù);管子排列方式、管間距s1、s2的相對大小;

尤其是對于叉排管束，管間距s1、s2相對大小的不同會涉及產(chǎn)生最大流速的位置。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用2.影響管束平均傳熱性能的因素對于整個(gè)管束的平均值，使它進(jìn)入與管排數(shù)無關(guān)的狀態(tài)需要經(jīng)歷至少16排管（沿流體流入方向），否則需要引入排數(shù)減少時(shí)的影響。物性參數(shù)當(dāng)流體進(jìn)、出管束的溫度變化比較大時(shí)，需考慮物性變化的影響，可引入物性修正因子（Prf/Prw)0.25。3.橫掠管束對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式定性溫度：

Prw采用管束平均壁面溫度下的數(shù)值，其它物性的定性溫度為管束進(jìn)出口流體的平均溫度tf.

定型尺寸：管外徑d

適用條件：10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用

計(jì)算流速：管間最大流速umax順排：叉排：10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用

常數(shù)C和m的值列于表中RefCm順排1~1020.90.4102~1030.520.5103~2×1050.270.632×105~2×1060.0330.8叉排1~5×1021.040.45×102~1030.70.5103~2×105叉排s1/s2≤20.35(s1/s2)0.20.6s1/s2>20.40.62×105~2×1060.31(s1/s2)0.20.810.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用

n為管排數(shù)的修正系數(shù)，其數(shù)值列于下表中。管排數(shù)1234579101315≥16順排Ref>1030.070.800.860.910.930.950.970.980.990.9941.0叉排102<Ref<103Ref>1030.830.870.910.940.950.970.980.9840.9930.9961.00.620.760.840.900.920.950.970.980.990.9971.010.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用如果

<90°，對流換熱將減弱，可在右邊乘以修正系數(shù)

，修正系數(shù)

隨沖擊角的變化曲線如圖所示。如果

=0°，即流體縱向流過管束，可以按管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱公式來計(jì)算，特征長度取管束間的流通面積的當(dāng)量直徑de。10.3強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用自然對流：溫度差密度差浮升力自然對流換熱舉例：①輸電導(dǎo)線、變壓器、電熱爐等外表面的散熱；②各種電子元器件表面的散熱（無專門冷卻設(shè)備時(shí)）；③各種熱設(shè)備、熱力管道等在環(huán)境中的散熱（無風(fēng)時(shí)）；④大量熱加工工藝過程中工件的冷卻等等。特點(diǎn)：不消耗動力，在工業(yè)和日常生活中發(fā)揮著重要作用。研究目標(biāo)：確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。10.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用1.自然對流的特點(diǎn)：①自然對流的流動和傳熱不需要外界動力源；②驅(qū)動力為溫差，但是有溫差不一定存在自然對流；③不均勻的溫度場和速度場發(fā)生于近壁薄層，速度分布具有兩頭小、中間大的特點(diǎn)；④自然對流也分為層流和湍流。判別準(zhǔn)則為格拉曉夫數(shù)Gr；⑤自然對流的準(zhǔn)則方程式：Nu＝f(Gr,Pr)；⑥按流動的邊界層是否受干擾，分為大空間自然對流和有限空間自然對流。10.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用

流動不均勻的溫度場，不一定引起自然對流。說明：

該空腔上熱下冷，存在溫度差，但是沒有自然對流產(chǎn)生。

10.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用2.大空間自然對流傳熱：以豎直平板在空氣中的自然冷卻過程為例進(jìn)行流動與換熱特征分析。隨著層流邊界層的加厚，hx逐漸減小，當(dāng)邊界層從層流向湍流過渡時(shí)又增大。實(shí)驗(yàn)研究表明，在旺盛湍流階段，hx基本上不隨壁面高度變化。10.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用3.大空間自然對流換熱特征關(guān)聯(lián)式

恒壁溫：式中：Gr稱為格拉曉夫數(shù)，其表達(dá)式為：

適用條件：恒壁溫條件

定性溫度：流體的算術(shù)平均溫度

定型尺寸：豎壁高度l10.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用傳熱面的形狀及位置GrPr的范圍Cn特征長度垂直的平板及圓柱面104~109109~10130.590.11/41/3高度H水平圓柱面

104~1.5×108>1.5×1080.480.101/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下2×104~5×1065×106~10110.540.151/41/3正方形取邊長，矩形取兩邊平均值，圓盤取0.9d，狹長條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上105~10110.591/410.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用恒熱流：

工程上有時(shí)會遇到自然對流傳熱表面熱流密度為常數(shù)的情況，如電子元器件表面的自然對流冷卻。10.4自然對流傳熱實(shí)驗(yàn)特征關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用有相變對流傳熱的特點(diǎn)：①相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例：水②相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；③分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。10.5相變換熱10.5.1凝結(jié)換熱1.膜狀凝結(jié)凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力），熱量傳遞：蒸汽相→液膜表面→固體壁面。

2.珠狀凝結(jié)

凝液結(jié)為小液滴（附著力小于表面張力），熱量傳遞：有裸露壁面，直接傳遞相變熱。3.比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

h珠狀凝結(jié)＞h膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)10.5相變換熱膜狀凝結(jié)的真實(shí)過程hx凝結(jié)換熱實(shí)例

冷凝器中的換熱寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)

凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論10.5相變換熱豎壁液膜厚度計(jì)算式豎壁局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)10.5相