【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 掠平板的強(qiáng)制對(duì)流換熱。空氣以40m/，tf=20℃，tw=120℃，試計(jì)算此板與空氣間的換熱量(設(shè)此板仍作為無(wú)限寬的平板處理，不計(jì)寬度z方向的變化)。解應(yīng)用柯?tīng)柵箢惐嚷善渲笑?、cp用定性溫度查教材附錄2（P309）“干空氣的熱物理性質(zhì)”確定。，，帶入上式,得，換熱量：，在相似理論指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究空氣在長(zhǎng)圓管內(nèi)穩(wěn)態(tài)受迫對(duì)流換熱的規(guī)律，請(qǐng)問(wèn)：(1)本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將涉及哪幾個(gè)相似準(zhǔn)則?實(shí)驗(yàn)中應(yīng)直接測(cè)量哪些參數(shù)才能得到所涉及的準(zhǔn)則數(shù)據(jù)?(3)現(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)并經(jīng)初步計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如下表所示，試計(jì)算各試驗(yàn)點(diǎn)Re數(shù)及Nu數(shù)?(4)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)4的現(xiàn)象是否相似？(5)將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)繪在lgNu及l(fā)gRe圖上。(6)可用什么形式的準(zhǔn)則方程式整理這些數(shù)據(jù)?并確定準(zhǔn)則方程式中的系數(shù)。(7)現(xiàn)有另一根長(zhǎng)圓管，d＝80mm，tw＝150℃；tf=50℃，試確定管內(nèi)換熱現(xiàn)象與上述表中哪個(gè)現(xiàn)象是相似的?并用上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定此管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。(8)又一未知流體的換熱現(xiàn)象，已知其熱擴(kuò)散率a=30．2106m2/s，λ=(mK)；ν＝106m2/s；d＝65mm，管內(nèi)流速23m/s，它是否與上表中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相似?是否可以用上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)?為什么?如果能用，請(qǐng)計(jì)算其N(xiāo)u數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)?解：㈠定性溫度為為tf⑴由于是空氣在長(zhǎng)管內(nèi)穩(wěn)態(tài)受迫對(duì)流換熱，所以涉及到的相似準(zhǔn)則是Re和Nu。⑵由Re=ud/ν、Nu=hd/λ、Φ=IU及Φ=hA(ｔwｔf)知道需要測(cè)量的物理量有u、d、A=πdL、ｔf、ｔf、I、U。⑶計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：(14：tf=10℃；5：tf=50℃，定性溫度為tf)現(xiàn)象序號(hào)tw℃λW/m℃νm2/sdmum/shW/m2℃ReNulgRelgNu1301021065010315250370490106515010210680103 6 1021066510323 ⑷由于，所以現(xiàn)象14不相似。⑸圖略（參考教材P140圖526）⑹準(zhǔn)則方程式形式為根據(jù)現(xiàn)象14數(shù)據(jù)，利用最小二乘法（也可以用圖解法確定C和n），確定（）中的C和n如下：，所以準(zhǔn)則方程式為，其中⑺因現(xiàn)象5雷諾數(shù)（Re=）與現(xiàn)象14雷諾數(shù)均不相等，所以現(xiàn)象5不與現(xiàn)象14均不相似；且由于其雷諾數(shù)已超出了現(xiàn)象14的實(shí)驗(yàn)范圍，所以無(wú)法用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定現(xiàn)象5的表面換熱系數(shù)。⑻因現(xiàn)象6雷諾數(shù)（Re=）與現(xiàn)象14雷諾數(shù)均不相等，所以現(xiàn)象6不與現(xiàn)象14均不相似；但由于其雷諾數(shù)處于現(xiàn)象14的實(shí)驗(yàn)范圍，所以可以用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定現(xiàn)象6的表面換熱系數(shù)，方法如下：溫度為50℃，105Pa的空氣，平行掠過(guò)一塊表面溫度為100℃的平板上表面，平板下表面絕熱。按平板長(zhǎng)度計(jì)算的Re數(shù)為4l04。試確定：(1)平板表面與空氣間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量；(2)如果空氣流速增加一倍，105Pa，平板表面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。解：本題為空氣外掠平板強(qiáng)制對(duì)流換熱問(wèn)題。(1)由于Re＝4104＜5105，屬層流狀態(tài)。故：空氣定性溫度：℃空氣的物性參數(shù)為，Pr=故：W/（）散熱量W(2)若流速增加一倍，壓力，則，而：，故：所以：，屬湍流。據(jù)教材式(5—42b)=961W/（m2K）散熱量：W課堂分析:流體沿平板流動(dòng)時(shí),為什么板面的邊界層厚度沿著流動(dòng)方向越來(lái)越厚?為什么紊流邊界層的厚度增長(zhǎng)得比層流邊界層快? 流體流過(guò)平板時(shí)，在進(jìn)口處的邊界層最薄，因?yàn)橹挥泻捅诿嬷苯咏佑|的一層極薄的流體受到壁面粘滯力的作用而降低了速度，隨著流體向前流動(dòng)，由于邊界層內(nèi)速度慢的流體對(duì)邊界層外速度快的流體產(chǎn)生粘滯作用，使邊界層逐漸增厚。在層流邊界層中，能量和動(dòng)量的傳遞是依靠分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其邊界層厚度發(fā)展得較慢，而紊流邊界層中除與層流邊界層中同樣存在依靠分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還有更主要的由宏觀的渦流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞能量和動(dòng)量，使其邊界層迅速增厚。在對(duì)流換熱過(guò)程中,緊靠壁面處總存在一個(gè)不動(dòng)的流體層,利用該層就可以計(jì)算出交換的熱量,這完全是一個(gè)導(dǎo)熱問(wèn)題,但為什么又說(shuō)對(duì)流換熱是導(dǎo)熱與對(duì)流綜合作用的結(jié)果。流體流過(guò)靜止的壁面時(shí),由于流體的粘性作用,在緊貼壁面處流體的流速等于零,因此對(duì)流換熱量就等于貼壁流體的導(dǎo)熱量，其大小取決于熱邊界層的厚薄,而它卻受到壁面流體流動(dòng)狀態(tài),即流動(dòng)邊界層的強(qiáng)烈影響,故層流底層受流動(dòng)影響,層流底層越薄,導(dǎo)熱熱阻越小,對(duì)流換熱系數(shù)h也就增加。∴是對(duì)流和導(dǎo)熱的綜合作用。簡(jiǎn)述邊界層理論的基本論點(diǎn)。邊界層厚度δ、δt與壁的尺寸l相比是極小值； 邊界層內(nèi)壁面速度梯度及溫度梯度最大；邊界層流動(dòng)狀態(tài)分為層流與紊流,而紊流邊界層內(nèi),緊貼壁面處仍將是層流,稱為層流底層；流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：邊界層區(qū)（粘滯力起作用）和主流區(qū)，溫度同樣場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：邊界層區(qū)（存在溫差）和主流區(qū)（等溫區(qū)域）；對(duì)流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個(gè)邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。試引用邊界層概念來(lái)分析并說(shuō)明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對(duì)對(duì)流換熱過(guò)程的影響。依據(jù)對(duì)流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個(gè)邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流換熱強(qiáng)度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越大，對(duì)流換熱強(qiáng)度越小。求水掠過(guò)平板時(shí)沿程x＝、并確定它的平均換熱系數(shù)。已知水溫tf＝40℃，tw＝20℃，u∞＝．板長(zhǎng)450mm， 臨界雷諾數(shù)為Rec=5105。流體ν、λ、Pr用定性溫度查教材附錄3（P309）“飽和水的熱物理性質(zhì)”確定。首先由確定：，可以判斷出整個(gè)板長(zhǎng)上均為層流邊界層。局部換熱系數(shù)：由及得：0x的平均換熱系數(shù)：由及得：計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：xReNuxNu0xhxh0x圖略?？諝庖?0m/，tf=20℃，tw=120℃，試計(jì)算此板與空氣間的換熱量(設(shè)此板仍作為無(wú)限寬的平板處理，不計(jì)寬度z方向的變化)。，其中ρ、cp用定性溫度查教材附錄2（P309）“干空氣的熱物理性質(zhì)”確定。， ，,，為什么熱量傳遞和動(dòng)量傳遞過(guò)程具有類比性?如果用形式相同的無(wú)量綱方程和邊界條件能夠描述兩種不同性質(zhì)的物理現(xiàn)象，就稱這兩種現(xiàn)象是可類比的，或者可比擬的。把它們的有關(guān)變量定量地聯(lián)系起來(lái)的關(guān)系式就是類比率。可以證明，沿平壁湍流時(shí)的動(dòng)量和能量微分方程就能夠表示成如下形式：其中說(shuō)明雷諾類比的主要假設(shè)，以及雷諾類比律適用條件。與雷諾類比律相比,柯?tīng)柵箢惐嚷啥嗔艘粋€(gè)Pr2/3,其依據(jù)是什么?雷諾類比建立在一個(gè)簡(jiǎn)化了的模型基礎(chǔ)上,即視邊界層為一層結(jié)構(gòu)紊流模型，不論邊界層內(nèi)流動(dòng)是層流還是紊流均遵守雷諾類比方程：，雷諾類比律St=Cf/2只適用于:(1)Pr≈1的流體；(2)流體阻力只有摩擦阻力的場(chǎng)合(不包括形狀阻力)，因此只適用于管內(nèi)流動(dòng)以及沒(méi)有邊界層脫離的外掠流動(dòng)。由于物性以Pr1/3影響對(duì)流換熱系數(shù)，即應(yīng)為，雷諾類比律為Pr=1，柯?tīng)柵箢惐嚷蓜t對(duì)Pr≠1進(jìn)行修正，而斯坦登數(shù)，因此柯?tīng)柵箢惐嚷啥嗔艘粋€(gè)Pr2/3?；颍河煞e分方程解的結(jié)果知：StPr2/3=,兩邊右邊部分相差約３％,故可認(rèn)為StPr2/3= Cf/2；由微分方程解的結(jié)果知：StPr2/3=,也可以證明StPr2/3= Cf/2，所以柯?tīng)柵箢惐嚷杀壤字Z類比律多一個(gè)Pr2/3是有依據(jù)的。單相流體對(duì)流換熱及準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式部分 一、基本概念主要包括管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱基本特點(diǎn)；外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱基本特點(diǎn)；自然對(duì)流換熱基本特點(diǎn)；對(duì)流換熱影響因素及其強(qiáng)化措施。對(duì)皆內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱?答：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段溫度邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的“入口效應(yīng)”，從而強(qiáng)化換熱。而對(duì)于彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了換熱。其他條件相同時(shí)，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個(gè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？答：橫向沖刷時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因?yàn)榭v向沖刷時(shí)相當(dāng)于外掠平板的流動(dòng)，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時(shí)熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動(dòng)，因而換熱強(qiáng)。在進(jìn)行外掠圓柱體的層流強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，為了測(cè)量平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要布置測(cè)量外壁溫度的熱電偶。試問(wèn)熱電偶應(yīng)布置在圓柱體周向方向何處?答：橫掠圓管局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如圖。在01800內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均值hm與該曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的周向角分別為φ1，φ2。布置熱電偶時(shí)，應(yīng)布置在φ1，φ2所對(duì)應(yīng)的圓周上。由于對(duì)稱性，在圓柱的下半周還有兩個(gè)點(diǎn)以布置。在地球表面某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)的自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)，到太空中是否仍然有效，為什么？答：該實(shí)驗(yàn)到太空中無(wú)法得到地面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)樽匀粚?duì)流是由流體內(nèi)部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中實(shí)驗(yàn)裝置格處于失重狀態(tài)，因而無(wú)法形成自然對(duì)流，所以無(wú)法得到頂期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。管束的順排和叉排是如何影響換熱的?答：這是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題,可簡(jiǎn)答如下：叉排時(shí),流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng),而順排時(shí)則流道相對(duì)比較平直,并且當(dāng)流速和縱向管間距s2較小時(shí),一般地說(shuō),叉排時(shí)流體擾動(dòng)較好,：順排時(shí)，第一排管子正面受到來(lái)流的沖擊，故φ=0處換熱最為激烈，從第二排起所受到的沖擊變?nèi)?，管列間的流體受到管壁的干擾較小，流動(dòng)較為穩(wěn)定。叉排時(shí)每排管子受到的沖擊相差不大，但由于流體的流動(dòng)方向不斷改變，混合情況比順流好，一般情況下，差排的平均換熱系數(shù)比順排時(shí)為大?？諝庋刎Q板加熱自由流動(dòng)時(shí),其邊界層內(nèi)的速度分布與空氣沿豎板受迫流動(dòng)時(shí)有什么不同,為什么?答：在自由流動(dòng)時(shí),流體被壁面加熱,離開(kāi)壁面后逐漸降到環(huán)境溫度,即熱邊界層的外緣,在此處流動(dòng)也停止,因此速度邊界層和溫度邊界層的厚度相等,邊界層內(nèi)的速度分布為,(見(jiàn)圖1).受迫流動(dòng)時(shí),.而外緣處為u∞(見(jiàn)圖2)。試討論在無(wú)限空間自由流動(dòng)紊流換熱時(shí)對(duì)流換熱強(qiáng)度與傳熱面尺寸的關(guān)系,并說(shuō)明此關(guān)系有何使用價(jià)值。答：當(dāng)在無(wú)限空間自由流動(dòng)紊流換熱時(shí),換熱面無(wú)論是豎壁、豎管、水平管或熱面向上的水平板,它們的對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式 Nu=C()n中的指數(shù)n都是1/3,因此方程等式兩邊的定型尺寸可以消去,表明自由流動(dòng)紊流換熱時(shí),換熱系數(shù)與傳熱面尺寸(定型尺寸),在自由流動(dòng)紊流換熱實(shí)驗(yàn)研究中, 可以采用較小尺寸的物體進(jìn)行試驗(yàn),只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的GrPr值處于紊流范圍。在對(duì)流溫度差大小相同的條件下,在夏季和冬季,屋頂天花板內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)是否相同?為什么?答：在夏季和冬季兩種情況下,雖然它們的對(duì)流溫差相同,但它們的內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)卻不一定相等。原因:在夏季tf＜tw,在冬季tf＞tw,即在夏季,溫度較高的水平壁面在上,溫度較低的空氣在下,自然對(duì)流不易產(chǎn)生,在冬季,溫度較低的水平壁面在上,而溫度較高的空氣在下,自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈,因此,放熱系數(shù)較高。 二、定量計(jì)算主要包括：?jiǎn)喂軆?nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱；外掠單管及管束的強(qiáng)制對(duì)流換熱；大空間自然對(duì)流換熱；有限空間自然對(duì)流換熱及上述幾種傳熱方式的綜合應(yīng)用等。一套管式換熱器，飽和蒸汽在內(nèi)管中凝結(jié)，使內(nèi)管外壁溫度保持在100℃，初溫為25℃，／s的水從套管換熱器的環(huán)形空間中流過(guò)，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層內(nèi)管外徑為40mm，外管內(nèi)徑為60mm，試確定把水加熱到55℃時(shí)所需的套管長(zhǎng)度，及管子出口截面處的局部熱流密度。不考慮溫差修正。解：本題為水在環(huán)形通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問(wèn)題，要確定的是管子長(zhǎng)度，因而可先假定管長(zhǎng)滿足充分發(fā)展的要求．然后再校核。由定性溫度℃，得水的物性參數(shù)W/()，J/()，Pr=當(dāng)量直徑水被加熱假設(shè)換熱達(dá)充分發(fā)展， W/（m2K）換熱量：W而所以：m因，故換熱已充分發(fā)展，不考慮管長(zhǎng)修正。某鍋爐廠生產(chǎn)的220t/h鍋爐的低溫段管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：順排布置，s1=76mm, s2=57mm, 管子外徑d0=38mm，壁厚δ=；空氣橫向沖刷管束，在空氣平均溫度為133℃時(shí)管間最大流速u(mài)1,max=，空氣流動(dòng)方向上的總管排數(shù)為44排。設(shè)管壁平均溫度tw=165℃，求管束與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)。如將管束改為叉排，其余條件不變，對(duì)流換熱系數(shù)增加多少？解：（1）計(jì)算Ref,max由定性溫度tf=133℃查附錄，得空氣的物性值為λf=(m℃)νf=106m2/s，Prf=由tw=165℃查得Prw=。于是 ==8487（2）求順排時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)hf=11解得對(duì)流換熱系數(shù)為hf=(m2℃)（3）求叉排時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)代入數(shù)據(jù)得=11解得叉排時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)為hf=(m2℃)水平放置的蒸汽管道，保溫層外徑do=583mm，壁溫tw=48℃，周?chē)諝鉁囟萾∞=23℃。試計(jì)算保溫層外壁的對(duì)流散熱量?解：定性溫度=℃據(jù)此查得空氣的物性值為λm=(m℃)，vm=，Prm=判據(jù)（GrPr）m===108＜109流動(dòng)屬于層流，查表得C=、n=1/4。于是對(duì)流換熱系數(shù)為 =(108)1/4=(m21