[工學(xué)]傳熱學(xué)典型習(xí)題詳解-資料下載頁
2025-01-09 14:37本頁面
【正文】 ℃ λ W/m℃ ν m2/s d m u m/s h W/m2℃ Re Nu lgRe lgNu 1 30 102 106 50 103 15 2 50 3 70 4 90 106 5 150 102 106 80 103 6 102 106 65 103 23 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的實驗范圍，所以無法用上述實驗結(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的實驗范圍，所以可以用上述實驗結(jié)果確定現(xiàn)象 6的表面換熱系數(shù)，方法如下： 溫度為 50℃，壓力為 105Pa的空氣，平行掠過一塊表面溫度為 100℃的平板上表面，平板下表面絕熱。平板沿流動方向長度為 ，寬度為 。按平板長度計算的 Re數(shù)為 4 l04。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，壓力增加到 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制對流換熱問題。 (1)由于 Re＝ 4 104＜ 5 105，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) =961 W/（ m2 K） 散熱量： W 三、本章提要 以下摘自趙鎮(zhèn)南著，高等教育出版社，出版日期： 2022年 7月第 1版《傳熱學(xué)》 對流換熱是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。它的熱流速率方程即牛頓冷卻公式。對流換熱問題的求解歸根結(jié)底圍繞著如何得到各種不同情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，它有局部值和平均值之分。 影響單相流體對流換熱強弱的主要因素有流體的流動狀態(tài)、發(fā)生流動的原因、流體的各項有關(guān)物性以及表面的幾何形狀等。 邊界層理論在研究對流換熱現(xiàn)象時扮演了極重要的角色。邊界層概念歸根結(jié)底就是從數(shù)量級的觀點出發(fā)，忽略主流中速度和過余溫度 1％的差異。速度邊界層和溫度邊界層的基本觀點可以概括地總結(jié)為以下的基本內(nèi)容 (針對沿平壁的外部流動 )： (1)速度從零變化到幾乎等于主論速度主要發(fā)生在緊貼壁面的薄層內(nèi)：壁面上具有速度梯度的最大值；在壁面法線方向上，討以把流場劃分成邊界層區(qū)和主流區(qū)，主流可視為等速、無粘性的理想流體；壁面法線方向上不存在壓力梯度；在沿壁曲方向上流體依次為層流、過渡流和湍流狀態(tài)。 (2)溫度的變化與速度相似 (但必須以過余溫度，而不是來流溫度作為衡量的基準(zhǔn) )，過余溫度 99％的變化發(fā)生在薄薄的熱邊界層內(nèi)；壁面上具有最大的過余溫度梯度 (該值即代表 Nu數(shù) )；在壁面的法線方向上將流場分為熱邊界層區(qū)和等溫的主流區(qū)，流體與壁面之間的熱量傳遞 僅發(fā)生在熱邊界層區(qū)里。 3 、 二 維 、 低 速 、 常 物 性 、 無 體 積 力 、 無 內(nèi) 熱 源 的 邊 界 層 對 流 換 熱 微 分 方 程 組 是 ： 它們是通過對流場中的任意流體微元分別作質(zhì)量、動量和能量平衡，并針對高雷諾數(shù)按照普朗特的邊界層理論進行簡化以后得出來的。而對流換熱過程微分方程則揭示了流體與壁面之間對流換熱的物理本質(zhì)。 邊界層對流換熱問題的主要求解方法有分析解 、實驗解、類比方法以及數(shù)值解法。 分析解：包括精確解 (也叫相似解 )和積分方程近似解。雖只能在若干假設(shè)條件下求得一些簡單問題的解，但是作為經(jīng)典方法，它對正確認(rèn)識對流換熱的基本規(guī)律仍起著重要的作用。 實驗解：實驗方法始終是解決工程對流換熱問題不可缺少的基本手段。它也是分析解或數(shù)值解唯一可靠的檢驗手段，對求不出理論解的問題，更要靠它來獲得所需要的基本規(guī)律和數(shù)據(jù)。實驗解方法應(yīng)當(dāng)在相似理論的指導(dǎo)下進行才能得到正確有效的結(jié)果。 類比方法：建立在流體動量與熱量傳遞規(guī)律的相似性上，無論層流還是湍流，只要流動阻力來自流體的分 子粘性和湍流“粘性”，均可以運用類比關(guān)系通過摩擦系數(shù)直接得到對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。對于外部流動和內(nèi)部流動，最主要的兩個類比率關(guān)系式是 ；適用條件： ； ；適用條件： 數(shù)值解：通過對邊界層微分方程組進行離散化處理求得各節(jié)點上流體的速度、溫度和壓力參數(shù)的數(shù)值求解方法。由于動量方程中存在非線性的 對流項及壓力梯度項，使對流換熱的數(shù)值處理比導(dǎo)熱復(fù)雜很多。 相似理論與相似準(zhǔn)則數(shù)相似原理是指導(dǎo)用實驗方法研究包括對流換熱在內(nèi)的很多工程技術(shù)問題的方法理論。它的主要內(nèi)容可以概括為相似三定理，它們分別回答了實驗研究中遇到的四個主要問題： (1)彼此相似的現(xiàn)象，其對應(yīng)點的同名相似準(zhǔn)則數(shù)相等。 實驗中模型應(yīng)該如何選取，應(yīng)該測量哪些量？模型應(yīng)保證與實物物理現(xiàn)象相似，應(yīng)測量相似準(zhǔn)則數(shù)中所包含的各個物理量，其中的物性由定性溫度確定。 (2)描述物理過程的微分方程積分結(jié)果可以用相似準(zhǔn)則數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系來表示。 實驗結(jié)果應(yīng) 該怎么表示 ?應(yīng)該用準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式來表示。 (3)凡同類現(xiàn)象，若同名已定準(zhǔn)則數(shù)相等．且單值性條件相似，那么這兩個現(xiàn)象必定相似。 實驗結(jié)果可以應(yīng)用到哪些范圍 ?實驗結(jié)果可用于所有與實驗狀態(tài)保持相似的同類對流換熱問題中。 下表匯總列出了本教材以及傳熱文獻中最經(jīng)常遇到的所有相似準(zhǔn)則數(shù)，它們的定義和物理解釋，供讀者在學(xué)習(xí)和工作中參考。 相似準(zhǔn)則數(shù)的定義與物理解釋 (按準(zhǔn)則數(shù)名稱的字母排序 ) 掠過平板的強迫對流換熱 應(yīng)注意區(qū)分層流和湍流兩種流態(tài) (一般忽略過渡流段 )，恒壁溫與恒熱流兩種典型的邊界條件，以及局部Nu數(shù)和平均 Nu數(shù)。具有末加熱起始段的換熱對某些工程問題有重要的應(yīng)用價值。
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