【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 混合對(duì)流換熱： Pr ) ,Gr ( R e ,Nu f?P r )R e ,(Nu P r )( R e ,Nu 39。xff x ?? ；強(qiáng)制對(duì)流 : ④ 常見準(zhǔn)則數(shù)的定義、物理意義和表達(dá)式，及其各量的物理意義 ⑤ 模化試驗(yàn)應(yīng)遵循的準(zhǔn)則數(shù)方程 nmnncccPr )Gr(NuPrReNuReNu???試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理形式： 相似原理的應(yīng)用 內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 內(nèi)部流動(dòng) 與 外部流動(dòng) 的區(qū)別主要在于 流動(dòng)邊界層與流道壁面之間的相對(duì)關(guān)系不同 ： ? 在外部流動(dòng)中 ， 換熱壁面上的流體邊界層可以自由地發(fā)展 ， 不會(huì)受到流道壁面的阻礙或限制 。 ? 因此 ， 在外部流動(dòng)中往往存在著一個(gè)邊界層外的區(qū)域 ， 在那里無論速度梯度還是溫度梯度都可以忽略 。 ? 而在內(nèi)部流動(dòng)中 ， 換熱壁面上邊界層的發(fā)展受到流道壁面的限制 ， 因此其換熱規(guī)律就與外部流動(dòng)有明顯的區(qū)別 。 1． 兩種流態(tài) ? 層流： ? 過渡區(qū)： ? 旺盛湍流： 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 2 3 0 0?Re100002300 ?? Re10000?Re2． 入口段與充分發(fā)展段 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 (a) 層流 (b) 湍流 圖 66 管內(nèi)對(duì)流傳熱局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) hx 的沿程變化 2． 入口段與充分發(fā)展段 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 ?入口段的熱邊界層較薄， 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 比充分發(fā)展段的高，且沿著主流方向逐漸降低。 (a) 層流 2． 入口段與充分發(fā)展段 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 ?如果邊界層中出現(xiàn) 湍流 ，則因湍流的 擾動(dòng)與混合作用義會(huì)使局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有所提高，再逐漸趨向于一個(gè)定值 。 (b) 湍流 層流入口段長(zhǎng)度 ： 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 (a) 層流 R e P rdl ?2． 入口段與充分發(fā)展段 湍流時(shí) ： 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 (b) 湍流 60?dl平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 就不受 入口段 的影響 ? 工程程技術(shù)中常常利用 入口段換熱效果好 這一特點(diǎn)來強(qiáng)化設(shè)備的換熱 。 2． 入口段與充分發(fā)展段 3． 兩種典型的熱邊界條件 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 當(dāng)流體在管內(nèi)被加熱或被冷卻時(shí)，加熱或冷卻壁面的熱狀況稱為 熱邊界條件 。 ? 軸向與周向熱流密度均勻，簡(jiǎn)稱 均勻熱流 ； ? 軸向與周向壁溫均勻，簡(jiǎn)稱 均勻壁溫 。 3． 兩種典型的熱邊界條件 xQ x dxQ?wQx dxtdcuQ x 24?? ??xdqQ dww ?? ?xxx Q dw ???xxQ xxxx dddd ??? 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 xxtdcuQ x ddd4 2?? ???xxtdcutdcutdcutdcu ddd4444 2222 ???????? ???????3． 兩種典型的熱邊界條件 xQ x dxQ?wQx dxxxtdcuxdq ddd4d 2w ??? ??? 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 c udqxt?w4dd ?c udqxt?w4dd ?Cxc udqCxc udqt ???? ? ?? ww 4d4 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 c o n s t a n tw ?q均勻熱流 h 逐漸減小，爾后趨近于一定值 （ twt）逐漸 增大，爾后趨近于一定值 Cxc u dqt ?? ? w4 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 c o n s t a n tw ?q? ?tthq ?? ww均勻熱流 c udqxt?w4dd ?? ? ???????? ???? xc udhtttt?4e xp0wwc o n s t a n tw ?t 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 均勻壁溫 ? ?ttc udhxt ?? w4dd ?? ?tthq ?? ww?? ?? xtt xc udhtt t 0wd4d0 ? 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 均勻壁溫 均勻熱流 ? 湍流時(shí)，由于各微團(tuán)之間的劇烈混合，除液態(tài)金屬外，兩種熱邊界條件對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響可以不計(jì)。 ? 對(duì)層流及低 Pr 數(shù)介質(zhì)的情況，兩種邊界條件下的差別是不容忽視的。 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 ? 計(jì)算物性的 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 ） 4． 定性溫度 ???ccddApApfAucAtuct??? 當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)方法來 測(cè)定截面平均溫度 時(shí)，應(yīng)在測(cè)溫點(diǎn)之前設(shè)法將截面上各部分的流件 充分混合 ，這樣才能保證測(cè)得的溫度是流體的截面平均溫度（整體溫度）。 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 ? 確定流體與一長(zhǎng)通道表面間的 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 5． 壁面的平均溫差 thq Δ?thAQ Δ?mm Δ thq ?mm Δ tAhQ ?平均溫差 確定方法？ 牛頓冷卻公式 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 5． 壁面的平均溫差 ? 對(duì)于 均勻熱流 的情形，如果其中 充分發(fā)展段 足夠長(zhǎng)，則可取 充分發(fā)展段 的溫差 fwmΔ ttt ?? 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 5． 壁面的平均溫差 ? 對(duì)于均勻壁溫的情形，截面上的局部溫差在整個(gè)換熱面上是不斷變化的。 ? 這時(shí)應(yīng)利用以下的熱平衡式 ? ?ffmmm Δ ttcqtAh p ?????確定平均的對(duì)流傳熱溫差 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 5． 壁面的平均溫差 fwfwffmlnΔttttttt??????????式中： qm為質(zhì)量流量， kg/s； tf39。 、 tf 分別為進(jìn)口、出口截面上的平均溫度； Δtm按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算： ? ?ffmmm Δ ttcqtAh p ?????P 475 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征 5． 壁面的平均溫差 fwfw ???????tttt? 當(dāng)進(jìn)口截面與出口截而上的溫差比 對(duì)數(shù)平均溫差 算術(shù)平均溫差 2Δffwmtttt ??????fwfwffmlnΔttttttt??????????差別 小于 4% 一 、 常規(guī)流體 （ Pr ） 加熱流體： n= 冷卻流體： n= 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 DittusBoelter 公式： nPrReNufff ? 54f ~10 ??Re1 2 0~ ?Pr60?dl?定性溫度 采用流體平均溫度 tf ?特征長(zhǎng)度 為管內(nèi)徑 d ? 適用于流體與壁面溫度具有 中等以下溫度差 的場(chǎng)合 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 nPrReNufff ?所謂 “ 中等以下溫度差 ” 其具體數(shù)字視計(jì)算準(zhǔn)確程度而定，有一定的幅度。 ?對(duì)于氣體不超過 50℃ ； ?對(duì)于水不超過 20～ 30℃ ； ?對(duì)于 大的油類不超過 10℃ 。 tdd1 ??在有換熱的條件下 ， ? 管子截面上的 溫度 是 不均勻 的 。 ? 因?yàn)?溫度 要 影響?zhàn)ざ?， 所以截面上的 速度分布 與 等溫流動(dòng) 的分布有所 不同 。 nPrReNu ?1— 等溫流動(dòng)； 2— 液體冷卻或氣體加熱； 3— 液體加熱或氣體冷卻 圖 69 管內(nèi)速度分布隨換熱情況的畸變 修正 (1) 變物性影響的修正 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 液體 冷卻 氣體 加熱 溫差的大小 nPrReNu ?修正 (1) 變物性影響的修正 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 ? 式中 Pr 數(shù)的 指數(shù)數(shù)值 ，在 加熱 與 冷卻 時(shí)不同。 ? 這是考慮 流體物理性質(zhì)隨溫度變化 而引起的 對(duì)熱量傳遞過程影響 的一種最簡(jiǎn)單的方式。 ? 這種方式能涵蓋的溫差范圍 中等以下溫度差 加熱流體： n= 冷卻流體： n= nPrReNu ?修正 (1) 變物性影響的修正 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 ? 流體平均溫度與固體表面溫度的差值大于 中等以下溫度差 ? 引入 溫差修正系數(shù) 對(duì)氣體 被加熱 被冷卻 對(duì)液體 被加熱 被冷卻 ?cwft ???????????cwft ???????????wft ?????????TTcnPrReNu ?修正 (2) 入口段的影響 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 ?入 口效應(yīng) ，即 入 口段由于熱邊界層較薄而具有比充分發(fā)展段高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 ? 對(duì)于通常工業(yè)設(shè)備中常見的尖角 入 口， 入口效應(yīng)修正系數(shù) 1 ????????ldcl? 包括入口段在內(nèi)的總長(zhǎng)為 l 的管道的平均 Nu 數(shù) ?Nu fNu nPrRe 2 ???????????????1ld?nPrReNu ?修正 (3) 非圓形截面的槽道 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 ? 對(duì)于 非圓形截面 槽道，如采用 當(dāng)量直徑 作為 特征尺度， 則對(duì)圓管得出的湍流傳熱公式就可 近似地予以應(yīng)用。 PAd ce4? 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 ? 對(duì)液體 Gnielinski 公式： ? ?? ?? ? tcldPrfPrRefNu???????????????????3232fff 1181 2 . 7110008wft ?????????PrPrcwft ?????????TTc20~wf ?PrPr? 對(duì)氣體 ~wf ?TT式中： l 為管長(zhǎng)； f 為管內(nèi)湍流流動(dòng)的 Darcy 阻力系數(shù) 弗羅年柯公式 ? ? ???? Ref實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： 6f 10~2 3 0 0?Re 5f 10~?Pr 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 Gnielinski 公式： ? Gnielinski公式是迄今為止計(jì)算準(zhǔn)確度最高的一個(gè)關(guān)聯(lián)式。 ? 在所依據(jù)的 800多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中 ， 90%數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式的最大偏差在 20%以內(nèi)，大部分在 177。 10%以內(nèi)。 ? ?? ?? ? tcldPrfPrRefNu???????????????????3232fff 1181 2 . 7110008 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 Gnielinski 公式： 在應(yīng)用以上兩個(gè)關(guān)聯(lián)式時(shí)，還要注意以下幾點(diǎn)： ① Gnielinski公式可以應(yīng)用于 過渡區(qū) ； DittusBoelter公式僅能用于 旺盛湍流 的范圍。 ② 以上兩式都只適用于 水力光滑區(qū) ，對(duì)于 粗糙管 ，作為 初步的計(jì)算 可以采用 Gnielinski公式。 ③ 這兩個(gè)關(guān)聯(lián)式都僅適用于 平直的管道。 DittusBoelter 公式： nPrReNufff ?? ?? ?? ? tcldPrfPrRefNu???????????????????3232fff 1181 2 . 7110008齊德－泰特公式： 0 . 8 1 30 . 0 2 7 R e P r ff f fwNu????? ????實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： 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。 ftw?wt/ 60ld ?Pr 0. 7 ~ 16 70 0f ?4Re 1 0f ? 管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式（補(bǔ)充） 米海耶夫公式： 0 . 8 0 . 4 3 Pr0 . 0 2 1 R e P rPrff f fwNu???