传热学第六章.pptx

第六章 各种对流传热过程对流传热对流传热无相变无相变有相变有相变强迫对流强迫对流自然对流自然对流混合对流混合对流凝结传热凝结传热沸腾传热沸腾传热内部流动内部流动外部流动外部流动大空间大空间有限空间有限空间管槽内管槽内平行平板间平行平板间管间纵掠管束管间纵掠管束纵掠平壁纵掠平壁横掠单管横掠单管横掠管束横掠管束 射流冲击冷却射流冲击冷却竖壁竖壁水平圆管外水平圆管外水平壁水平壁膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结大容器内沸腾大容器内沸腾管内沸腾管内沸腾图6-1 对流传热的分类树第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热一、管槽内强迫对流传热（P88-92）这种对流传热是工业换热设备中最常见的方式，是工业换热设备中最常见的方式，几乎所有的换热设备中都有管道，通常是圆形截面的，也有非圆形截面的（统称槽道槽道），流体在管槽内流动并与壁面换热。1 1、概述（、概述（P P88-9088-90）例如：例如：各种管式换热器、内燃机缸套冷却、锅炉的过 热器和省煤器、机油冷却器等。第六章 各种对流传热过程（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征【如图6-2a）、b）所示】（P P8989）当流体流进圆管时，流动边界层和热边界层的厚度都有一个当流体流进圆管时，流动边界层和热边界层的厚度都有一个 从零开始不断增厚直至汇合于管子中心线的发展过程。从零开始不断增厚直至汇合于管子中心线的发展过程。第一节 单相流体的强迫对流传热管内对流传热由入口段入口段+定型段定型段组成：从进口到边界层汇合于中心线之间的区域，称为入口段入口段，边界层汇合于中心线后的区域，称为充分发展段或定型段充分发展段或定型段，此时，速度分布、传热强度都将沿轴向不断变化；此时流动与传热已充分发展，速度分布、传热强度将保持不变第六章 各种对流传热过程图6-2 管内强迫对流传热的流动和传热强度示意图a）层流；b）湍流第一节 单相流体的强迫对流传热第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热在入口段入口段，由于边界层较薄，总体而言，局部对流 传热系数hx比充分发展段高，且沿着主流方向随边 界层增厚而逐渐降低。若边界层中出现湍流，则湍流的扰动与混合作用又 会使局部对流传热系数hx有所提高，再随湍流边界 层增厚而稍减，最后逐渐趋向于充分发展段充分发展段的定值第六章 各种对流传热过程边界层发展过程边界层发展过程（b b）定型段定型段：速度分布、传热强度hx沿轴向将保持不变 （a a）入口段入口段：速度分布、传热强度hx沿轴向不断变化第一节 单相流体的强迫对流传热：0 01/21/2 d dt t：0 01/2 d1/2 d=1/21/2 d dt t=1/2 d=1/2 d第六章 各种对流传热过程流态判据：流态判据：雷诺数雷诺数ReRed：取圆管内径 di 或槽道当量直径ReRe10104 4,湍流湍流第一节 单相流体的强迫对流传热ReRe 22002200，层流；，层流；22002200 ReRe10104 4，过渡流；，过渡流；：流体运动粘度，m2/s；vf：管槽截面平均流速，m/s；第六章 各种对流传热过程（2 2）两种典型的热边界条件（两种典型的热边界条件（P P89-9089-90）第一节 单相流体的强迫对流传热 管槽内强迫对流传热的边界条件通常有恒热流恒热流和恒壁温恒壁温两种典型情形，图6-3示意性地给出了在这两种热边界条件下沿主流方向流体截面平均温度tf(x)及管壁温度tw（x）的变化情况。湍流时湍流时，由于各微团之间的剧烈混合，除液态金属外，两种热边界条件对对流传热系数的影响可以不计影响可以不计。但对层流及低层流及低PrPr数介质数介质的情况，两种热边界条件下的差别是不容忽视的差别是不容忽视的。第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热图6-3 两种典型热边界条件下流体温度和壁面温度沿主流方向的变化第六章 各种对流传热过程 由图6-3a)可以看出，恒热流时，忽略入口段的影响，流体温度tf(x)和壁面温度tw(x)沿程线性变化，传热温差基本不变，因此，当定型段足够长时，可取定型段的温差当定型段足够长时，可取定型段的温差，即第一节 单相流体的强迫对流传热由NewtonNewton冷却公式冷却公式，管槽内单相流体强迫对流传热量为（t tm m为传热面为传热面A A上的平均温差）上的平均温差）恒热流：恒热流：q qw w=c=ct tm m=（t tw w-t-tf f）第六章 各种对流传热过程 由图6-3b)可以看出，恒壁温时，局部对流传热温差tx是不断变化的，一般应取对数平均温差对数平均温差：第一节 单相流体的强迫对流传热 如（tf-tf）不大或（tw-tf）与（tw-tf）相差不大时恒壁温时也可近似取算术平均温差恒壁温时也可近似取算术平均温差：恒壁温：恒壁温：t tw w=c=c式中,tf、tf分别为进、出口截面上流体的平均温度。第六章 各种对流传热过程2 2、计算公式（、计算公式（P P90-9290-92）流体在管槽内流动时，流动状态不同，强迫对流传 热相差很大，因此有不同的计算公式。湍流时对流传热效果最好，工程上绝大多数换热设湍流时对流传热效果最好，工程上绝大多数换热设 备都工作在湍流范围。备都工作在湍流范围。湍流的特征数实验关联式应用很广泛，是学习的重点第一节 单相流体的强迫对流传热第六章 各种对流传热过程（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）式中，Ref=1041.2105，Prf=0.7120；特征温度特征温度:流体平均温度tf=1/2（tf+tf）；特征尺寸特征尺寸:圆管内径di或槽道当量直径de=4A/P；特征流速特征流速:流体平均温度tf下流动截面的平均流速vf。第一节 单相流体的强迫对流传热l l：管长修正系数管长修正系数；t t：温差修正系数温差修正系数；R R：弯管效应修正系数弯管效应修正系数。（详见后述）2 2、计算公式（、计算公式（P P90-9290-92）第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热l l为为考虑入口段对平均对流传热系数影响的入口效应修正系入口效应修正系数数，又称管长修正系数管长修正系数。（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）l l11第六章 各种对流传热过程t t为为考虑边界层内温度分布对平均对流传热系数影响的 温差修正系数温差修正系数。第一节 单相流体的强迫对流传热在有传热的条件下在有传热的条件下，管槽截面上的温度不均匀，由此影响粘度等物性参数，所以截面上的速度分布不同于等温流动截面上的速度分布不同于等温流动。如图6-4所示，曲线1为等温流动时的速度分布。由于液体的液体的粘度随温度升高而降低粘度随温度升高而降低，因此，液体被冷却时，近壁处的粘度较管心处为高，速度分布低于等温曲线，如图中曲线2所示；而液体被加热时，近壁处的粘度较管心处为低，速度分布高于等温曲线，如图中曲线3所示。（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第六章 各种对流传热过程t t为温差修正系数：为温差修正系数：第一节 单相流体的强迫对流传热近壁处流速增大会强化传热，反之则会削弱传热，这就说明了物性场不均匀将影响对流传热强度。气体的粘度随温度升高而提高气体的粘度随温度升高而提高 因此情形与液体正好相反。因此情形与液体正好相反。（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）图6-4 管内速度分布 1-等温流动；2-冷却液体或加热气体；3-加热液体或冷却气体第六章 各种对流传热过程t t为温差修正系数：为温差修正系数：温度场不均匀温度场不均匀粘度场不均匀粘度场不均匀速度场改变速度场改变影响影响h h值值第一节 单相流体的强迫对流传热 图6-4 管内速度分布 1-等温流动；2-冷却液体或加热气体；3-加热液体或冷却气体（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第六章 各种对流传热过程液体：液体：气体：气体：加热加热冷却冷却加热加热冷却冷却第一节 单相流体的强迫对流传热综上所述，不均匀物性场对对流传热的影响，视液体还是气体、加热还是冷却以及温差大小而异，温差修正系数t 一般可按下式计算：计算：t t为温差修正系数：为温差修正系数：（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第六章 各种对流传热过程R R为为考虑管道弯曲对平均对流传热系数影响的弯管效应修正系数弯管效应修正系数。第一节 单相流体的强迫对流传热 如图6-5所示，流体流过弯曲管道或螺旋管时，由于离心力的作用，会引引起二次环流而强化传热起二次环流而强化传热。图6-5 弯曲管道中的二次环流（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第六章 各种对流传热过程液体：液体：气体：气体：弯管修正系数弯管修正系数R R通常可按下式计算：计算：第一节 单相流体的强迫对流传热特别地，对于蛇形管，直管段较短时必须考虑弯曲段的影响；蛇形管，直管段较短时必须考虑弯曲段的影响；而直管段较长时直管段较长时（如锅炉过热器、省煤器的管子以及化工厂蛇形管换热器中的管子等），弯曲管段对整个管子平均对流传热系数的影响不大，可近似取可近似取R R=1=1。式中，R为弯管的弯曲半径R R11第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热 特征数方程实质上表示了各因素对传热强度的影响程度特征数方程实质上表示了各因素对传热强度的影响程度，湍流强迫对流传热系数计算公式展开可得：（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热 h与流速的0.8次幂成正比而与管径的0.2次幂成反比，但必须注意注意，这些措施都会同时增加同时增加流体的流动阻力流动阻力，尤其是流速增加时阻力的增大将以流速的平方倍数增大流速增加时阻力的增大将以流速的平方倍数增大。由上式可见，当流体种类确定后，设计中能改变的只有流速流速和管径管径。（1 1）湍流强迫对流传热（）湍流强迫对流传热（P P90-9190-91）因此，提高流速提高流速和减小管径减小管径都是强化传热的有效措施。第六章 各种对流传热过程（2 2）层流强迫对流传热（）层流强迫对流传热（P P9292）第一节 单相流体的强迫对流传热层流时入口段长度由下式确定：2 2、计算公式（、计算公式（P P90-9290-92）第六章 各种对流传热过程特点：特点：换热设备中，管槽内层流强迫对流传热常常处于入口段常常处于入口段范围当管槽内层流强迫对流传热进入充分发展段充分发展段后，对于常物性流体，NuNu数数与Re数无关而保持不变保持不变，h h也保持不变也保持不变。第一节 单相流体的强迫对流传热热边界条件影响显著，一般恒热流时的传热强度大于恒壁温一般恒热流时的传热强度大于恒壁温如对圆管内层流充分发展段：恒热流时Nu=4.36，而恒壁温时Nu=3.66。截面形状不同的管道，即使当量直径相同，充分发展段的Nu数也不一样。（2 2）层流强迫对流传热（）层流强迫对流传热（P P9292）第六章 各种对流传热过程(3)(3)过渡区强迫对流传热（过渡区强迫对流传热（P P9292）从换热设备的稳定性考虑，工程上也往往避免设计在这一区域第一节 单相流体的强迫对流传热与层流和湍流相比，过渡区中传热计算公式满意的不多。2 2、计算公式（、计算公式（P P90-9290-92）第六章 各种对流传热过程例例6-16-1 某换热器中，冷却水以2m/s的速度流过内径为20mm的长铜管，进、出口温度分别为20和60。设铜管内壁的平均温度为90，试计算冷却水侧的对流传热系数及单位管长的传热量。解：解：第一节 单相流体的强迫对流传热选取特征温度，查取有关物性参数值。选取特征温度，查取有关物性参数值。由题意，第六章 各种对流传热过程计算雷诺数计算雷诺数ReRe，判定流动状态。，判定流动状态。选取公式，计算选取公式，计算NuNu数，进一步计算平均对流传热系数数，进一步计算平均对流传热系数h h。第一节 单相流体的强迫对流传热第六章 各种对流传热过程计算对流传热量计算对流传热量或或q q。单位管长传热量为第一节 单相流体的强迫对流传热讨论：讨论：本题给出了计算强迫对流传热的一般步骤一般步骤。另外，另外，本题亦可近似采用算术平均温差计算单位管长的传热量：可见与上述采用对数平均温差的计算结果相差不大。第六章 各种对流传热过程例例6-26-2 流量为120kg/h的润滑油通过壁温恒定为20、内径为13mm的管道，油温从100被冷却到60，试计算对流传热系数h和所需管长l。解：解：第一节 单相流体的强迫对流传热特征温度特征温度第六章 各种对流传热过程计算雷诺数计算雷诺数Re:Re:第一节 单相流体的强迫对流传热试算试算:第六章 各种对流传热过程平均传热温差又由热平衡得第一节 单相流体的强迫对流传热代入已知数据整理得(a)(a)第六章 各种对流传热过程代入已知数据整理得(b(b)第一节 单相流体的强迫对流传热校核校核:第六章 各种对流传热过程管内强迫对流传热计算在以下几种情况下一般也采用试算法：试算法：流体出口温度流体出口温度t t”f f未知。未知。可先假设t”f值，按对流传热的求解步 骤进行计算，再用热平衡式求出t”f，最后进行迭代计算，直 到满足热平衡偏差为止，一般取计算值与假设值偏差小于5%管内壁温度管内壁温度t tw w未知。未知。此时可先令t=1，求出h，再用热平衡式 求出tw,计算t，则h=th，一般只需试算一次。第一节 单相流体的强迫对流传热讨论：讨论：流体速度流体速度v vf f未知。未知。先假设流速vf，根据Re数选择计算公式，再 由热平衡式求出v”f,最后根据vf与v”f的偏差要求进行校正。管径管径d di i未知。未知。可先设一流速di，处理方法与流速或管长未知 的情形类似。第六章 各种对流传热过程二、外掠物体强迫对流传热（P94-99）空气纵掠机翼，风吹过地面或热力管道，锅炉烟气横掠过热器管束，各种壳管式换热器壳侧流体横掠管束等的对流传热，都属于流体外掠物体时的强迫对流传热。第一节 单相流体的强迫对流传热下面将分别讨论纵掠平壁纵掠平壁、横掠单管横掠单管和横掠横掠管束管束时的对流传热。第六章 各种对流传热过程1 1、纵掠平壁、纵掠平壁（P P94-9594-95）第五章第二节已详细介绍了流体纵掠等温平壁时，流动边界层流动边界层和热边界层热边界层的形成及发展。第一节 单相流体的强迫对流传热由于这种对流传热现象比较简单，层流层流对流传热系数计算公式可由数学分析法数学分析法求得；湍流湍流对流传热系数计算公式可由比拟法比拟法求得。实践证实，这些计算公式比较正确，可用于工程计算。二、外掠物体强迫对流传热（P94-99）第六章 各种对流传热过程（1 1）层流强迫对流传热）层流强迫对流传热式中：第一节 单相流体的强迫对流传热特征尺寸分别为x和平壁长度l；特征速度为主流流速v。1 1、纵掠平壁、纵掠平壁（P P94-9594-95）第六章 各种对流传热过程（2 2）湍流强迫对流传热）湍流强迫对流传热（从（从x=0 x=0处即形成湍流边界层处即形成湍流边界层,较少较少）式中：第一节 单相流体的强迫对流传热特征尺寸分别为x和平壁长度l；特征速度为主流流速v。1 1、纵掠平壁、纵掠平壁（P P94-9594-95）第六章 各种对流传热过程（3 3）层流）层流+湍流强迫对流传热湍流强迫对流传热式中：第一节 单相流体的强迫对流传热，特征温度为tm；特征尺寸为平壁长度l。当lxc时，流体纵掠等温平壁的边界层由层流段（层流段（x xx xc c）和湍流段（湍流段（x xx xc c）组成，常称复合（或混合）边界层复合（或混合）边界层。此时，计算整个壁面的平均对流传热系数平均对流传热系数h h的特征数关联式为1 1、纵掠平壁、纵掠平壁（P P94-9594-95）第六章 各种对流传热过程2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）所谓横掠单管横掠单管，就是流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流体横掠单根圆管或柱体时，由于会发生绕流脱体绕流脱体 现象,因此其流动和传热情况比较复杂。（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征以圆管为例，以圆管为例，流体横掠单管时，管面迎向来流最前面的点称为前滞止点前滞止点或前驻点前驻点，最后面的点称为后滞止点后滞止点或后驻点后驻点，对于理想流体，该两驻点处的流速均应为零。第一节 单相流体的强迫对流传热从前驻点开始，流体对称地分为上、下两股绕流管面，在紧贴管壁处也形成边界层，并不断发展，但各截面上边界层外缘的流速数值不同，如图如图6-66-6所示所示。第六章 各种对流传热过程沿着流动方向流体速度渐增而压力渐减；截面处，速度最大，压力最小；沿着流动方向流体速度渐减而压力渐增。第一节 单相流体的强迫对流传热来流的速度和压力分别为v0和p0，在边界层外边界层外，按速度和压力的变化可分为两个区域两个区域：图6-6 流体横掠单管的流动情形2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征第六章 各种对流传热过程 边界层外边界层外的流体可近似作为不存在粘性的理想流体，速度与压力以以2 2点截面为对称点截面为对称；而在极薄的边界层内边界层内，流体由于粘性阻力粘性阻力而动能有额外损失动能有额外损失，全部耗尽后流体会出现停滞和回流现象。第一节 单相流体的强迫对流传热贴壁流体的速度梯度 的点3，称为分离点分离点。图6-6 流体横掠单管的流动情形从分离点截面开始，流体形成向内的旋涡，不再贴着壁面流动，故称脱体脱体。注意：注意：脱体后的旋涡区已无法采用边界层理论进行分析。2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热对于一定的流体，分离点的位置主要取决于分离点的位置主要取决于边界层中流体的动量，也就是说分离点的位置主要取决于象征惯性力与粘性力之比的ReRe数的大小数的大小。对于圆管：对于圆管：Re10Re10时，没有脱体现象；时，没有脱体现象；Re=10Re=101.5101.5105 5时，脱体前边界层为层流，时，脱体前边界层为层流，脱体发生在脱体发生在=80=808585Re1.510Re1.5105 5时，脱体前边界层已过渡为湍流，时，脱体前边界层已过渡为湍流，脱体点后移至脱体点后移至140140处处2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征第六章 各种对流传热过程流体横掠圆管时，其局部努塞尔数Nu随角和Re数的变化规律如图如图6-76-7所示所示：低低ReRe数时：数时：（a a）从前驻点开始，由于层流边界层不 断增厚，Nu随增加而减小；（b b）在=8085，Nu达到最小值；（c c）随后，由于脱体区的扰动强化了传 热，Nu有所回升。第一节 单相流体的强迫对流传热图6-7 Nu沿周界的变化（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征（恒热流）恒热流）2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）第六章 各种对流传热过程（b b）随后，由于湍流的发展，Nu急升，达旺盛湍流时，Nu达到最大值；（c c）待湍流稳定后，由于湍流边界层不断 增厚，Nu又开始下降，在=140，Nu出现第二个最小值；（d d）过分离点（140）后，由于脱体区 的扰动强化了传热，Nu再次回升。（a a）边界层由层流发展为湍流，在转变 的过渡区,Nu出现第一个最小值；第一节 单相流体的强迫对流传热高高ReRe数时：数时：（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征（恒热流）恒热流）图6-7 Nu沿周界的变化2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）第六章 各种对流传热过程此外，从图中还可发现：此外，从图中还可发现：（a a）低Re数时，Nu0 Nu180；（b b）高Re数时，Nu0 Nu180；第一节 单相流体的强迫对流传热（1 1）流动和传热特征（）流动和传热特征（恒热流）恒热流）图6-7 Nu沿周界的变化2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）第六章 各种对流传热过程（2 2）计算公式）计算公式特征温度为tm，特征尺寸为外径do，特征流速为来流速度v0；C和n的选取参见P96表6-1；修正系数为考虑冲刷角度的修正系数，参见P97表6-2：=90时，=1；90时，1；特别地，当当=0=0时时，流体纵掠圆管，此时，只要圆管外径比边界层厚度大得多，如满足如满足d do o1010，就可近似采用纵掠近似采用纵掠平壁计算公式平壁计算公式，特征尺寸取管长 l，平壁宽取do。式中：第一节 单相流体的强迫对流传热工程计算中常用的横掠单管强迫对流平均对流传热系数特征数实验关联式为2 2、横掠单管、横掠单管（P P95-9695-96）第六章 各种对流传热过程3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征 流体横掠管束时的对流传热远比横掠单管时复杂，除横掠单管的影响因素外，管间距管间距、管排数管排数和管束排管束排列方式列方式等几何因素都影响流动和传热。流体横掠管束对流传热在换热器及锅炉、暖风器等专用换热设备中最为常见。第一节 单相流体的强迫对流传热 第六章 各种对流传热过程管排数：管排数：从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。在尾流旋涡的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高,即h2h1,h3h2,h4h3,。但经过几排管子以后扰动基本稳 定，hz几乎不再变化。（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征第一节 单相流体的强迫对流传热管间距：管间距：由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交替 地减少和增加，流体在管间交替地加速和减速。管距的大小管距的大小 影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）第六章 各种对流传热过程管束排列方式：管束排列方式：管束排列方式对管束排列方式对h h的影响比较明显。的影响比较明显。通常管束排列方式有顺排顺排和叉排叉排两种，如图6-8所示。（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征第一节 单相流体的强迫对流传热流体流过管束第一排时，顺排和叉排都是“前受冲击、后受前受冲击、后受扰扰 动动”；但从第二排开始，流动情况就有所不同，对于顺排，管 子直接位于前排管子的尾流中，管子前后都是涡流区，没有 直接受到冲击，传热强度不大，而对于叉排，各排的=0 处都受到冲击，可见流体受到的扰动叉排比顺排剧烈。因 此，一般说来，在同样的入口流速下，叉排时的传热比顺排在同样的入口流速下，叉排时的传热比顺排 时强，叉排管束的平均对流传热系数要比顺排管束大时强，叉排管束的平均对流传热系数要比顺排管束大。工程中，大部分热交换器采用叉排。工程中，大部分热交换器采用叉排。3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热图6-8 流体横掠圆管管束时的流动情况 a)顺排；b)叉排第六章 各种对流传热过程管束排列方式：管束排列方式：（1 1）流动和传热特征）流动和传热特征第一节 单相流体的强迫对流传热但当当ReRe数很高时数很高时，顺排管束沿管周不是湍流边界层就是强烈 的旋涡区，所以顺排平均对流传热系数有可能超过叉排顺排平均对流传热系数有可能超过叉排，且 这种趋势在管间距较大时更为明显。因此，叉排、顺排的选择必须全面权衡才行。因此，叉排、顺排的选择必须全面权衡才行。3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）还有，叉排管束的阻力损失大于顺排叉排管束的阻力损失大于顺排。另外，顺排管束易于清洗顺排管束易于清洗。第六章 各种对流传热过程（2 2）计算公式）计算公式第一节 单相流体的强迫对流传热式中：式中：Prf=0.7500。特征尺寸为圆管外径do；Prw以壁温tw为定性温度，其余定性温度均为流体平均温度tf；特征流速为管间最窄流通截面处流体的最大平均流速最大平均流速v vf,maxf,max，其计算比较麻烦，参见图6-8：3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热图6-8 流体横掠圆管管束时的流动情况 a)顺排；b)叉排第六章 各种对流传热过程（2 2）计算公式）计算公式第一节 单相流体的强迫对流传热已知未进入管束时的流体速度v0，则最大平均流速最大平均流速v vf,maxf,max为：顺排时顺排时叉排时叉排时3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）第六章 各种对流传热过程系数C和指数n、m、k、p的选取见P98表6-3。z为管排修正系数，见P98表6-4，当管排数Z16时，z=1。特别地，当当=0=0时时，流体在管间纵掠管束纵掠管束，此时可采用管采用管内强迫对流传热公式计算内强迫对流传热公式计算，特征尺寸取当量直径特征尺寸取当量直径d de e，对于顺排和叉排，de值相同：（2 2）计算公式）计算公式第一节 单相流体的强迫对流传热修正系数为考虑冲刷角度的修正系数，参见P99表6-5，当=8090时，可取=1。3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）第六章 各种对流传热过程 工程技术中，工程技术中，为强化流体横掠管束时的对流传热，往往采用肋片管往往采用肋片管，且管子外形也不一定是圆的管子外形也不一定是圆的，例如可以是扁圆形、椭圆形等。说明：说明：第一节 单相流体的强迫对流传热 显然，流体横掠带肋管束对流传热系数的计算，要比流体横掠圆管管束对流传热系数的计算复杂得多。3 3、横掠管束、横掠管束（P P97-9997-99）第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热例例6-36-3 在速度v0=5m/s、温度为20的空气流中，沿流动方向平行地放有一块长为20cm、温度为60的平板。如用垂直流动方向放置的半周长为20cm的圆柱代替平板，问此时的表面对流传热系数为平板的几倍（其他条件不变）。解：解：特征温度tm空气的物性值为：m=2.7610-2W/(mK),Prm=0.699，m=16.9610-6m2/s，据此由附录查得（1 1）纵掠平壁：）纵掠平壁：v0=5m/s，l=20cm=0.20m，流动为层流。第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热选用公式：=143.09=143.09 W/(mW/(m2 2K)K)（2 2）横掠单管：）横掠单管：v v0 0=5m/s=5m/s，40004000ReRem m4000040000，第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热选用公式，并由表6-1查得：C=0.193，n=0.618，则=115.01=115.01 W/(mW/(m2 2K)K)（3 3）比较：比较：第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热例例6-46-4 水横向掠过5排叉排管束，最窄截面处流速为4.87m/s，流体平均温度为20，管子壁温为25。已知管子外径do=19mm，管间距 ，试求管束与水之间的平均对流传热系数。解：解：由题意，vf，max=4.87m/s，特征温度tf=20，壁温tw=25由附录查得水的物性值为：f=0.599W/（mK），Prf=7.02，Prw=6.22，f=1.00610-6m2/s第六章 各种对流传热过程第一节 单相流体的强迫对流传热选用公式，并由表6-3查得系数和指数为：C=0.35，n=0.60，m=0.36，k=0.25，p=0.2，由表6-4查得：z=0.923W/(mW/(m2 2K)K)第六章 各种对流传热过程 第二节 自然对流传热一、基本概念（P100）不依靠泵或风机等外力推动，而由流体自身温度场的不均匀流体自身温度场的不均匀 所引起的流动称为自然对流自然对流;如如:热力管道和输电线路在无风情况下的散热、暖气片的散热、电器元件的自然冷却以及太阳能集热器空气夹层中的传热等都是自然对流传热的应用实例。不均匀温度场造成不均匀密度场所产生的浮升力（或沉降力）浮升力（或沉降力）是是流体运动的动力动力;这种流体在浮升力作用下的对流传热就称为自然对流传热自然对流传热。1 1、定义：、定义：第六章 各种对流传热过程传热面上边界层的形成和发展不受周围物体干扰的自然对流 传热称为大空间自然对流传热大空间自然对流传热，否则称有限空间自然对流传热有限空间自然对流传热 第二节 自然对流传热2 2、分类：、分类：自然对流传热分为大空间自然对流传热大空间自然对流传热和有限空间自然对流有限空间自然对流 传热传热。注意：注意：大空间和有限空间是相对而言的，几何意义上的有限空间 只要边界层的形成和发展不受限制，仍称为大空间。许多实际问题都可以作为大空间自然对流传热来分析计算。本节重点讨论大空间自然对流传热本节重点讨论大空间自然对流传热一、基本概念（P100）第六章 各种对流传热过程二、大空间自然对流传热（P100-102）1 1、流动和传热特征、流动和传热特征 第二节 自然对流传热以温度为以温度为t t的静止流体被高温竖壁（的静止流体被高温竖壁（t tw wt t）加热为例：）加热为例：自然对流传热时，近壁处也形成流动边界层。由于速度是因温度不均匀而产生，因此边界层中的速度分布依赖于温度分布边界层中的速度分布依赖于温度分布。自然对流传热时：竖壁附近的温度分布与速度分布如图如图6-96-9所示所示；边界层的形成和发展及hx的变化如图如图6-106-10所示所示。第六章 各种对流传热过程1 1、流动和传热特征、流动和传热特征 第二节 自然对流传热图6-9 自然对流传热时竖壁附近的温度分布与速度分布（twt）二、大空间自然对流传热（P100-102）第六章 各种对流传热过程1 1、流动和传热特征、流动和传热特征 第二节 自然对流传热在贴壁处，流体温度等于壁面温度tw，在离开壁面的方向上 逐步降低，直至周围环境温度t。（1 1）竖壁附近的温度分布与速度分布竖壁附近的温度分布与速度分布（见图（见图6-96-9）边界层中的速度分布速度分布则呈现“两头小，中间大两头小，中间大”的特点：在贴壁处在贴壁处，由于粘性作用流体速度为零速度为零;在边界层外缘处在边界层外缘处，由于温度不均匀性消失，流体速度也为零流体速度也为零;在边界层的中间偏近热壁面的某处中间偏近热壁面的某处，流体速度有一最大值速度有一最大值。二、大空间自然对流传热（P100-102）第六章 各种对流传热过程 自然对流亦有层流与湍流之分。自然对流亦有层流与湍流之分。在边界层中，流体质点所受的力，主要是浮升力和粘性力，惯性力相对较小，其影响甚至可以忽略。1 1、流动和传热特征、流动和传热特征 第二节 自然对流传热图6-10 竖壁自然对流传热时边界层的形成和发展及hx的变化（1 1）边界层的形成和发展及）边界层的形成和发展及h hx x的变化的变化 （见图（见图6-106-10）（）（P P101101）二、大空间自然对流传热第六章 各种对流传热过程1 1、流动和传热特征、流动和传热特征 第二节 自然对流传热边界层的形成和发展边界层的形成和发展（1 1）边界层的形成和发展及）边界层的形成和发展及h hx x的变化的变化（见图（见图6-106-10）随着高度的增加，浮升效应逐渐增强，在竖壁上部在竖壁上部，浮升力 的影响超过了粘性力，流动逐渐过渡为湍流流动逐渐过渡为湍流。在高温竖壁底部的起始段在高温竖壁底部的起始段，近壁流体温度升高不大，浮升效 应较弱，粘性力起主导作用，流动呈层流状态呈层流状态。二、大空间自然对流传热（P100-102）第六章 各种对流传热过程层流时层流时，传热热阻主要取决于边界层厚度，因此h hx x逐渐减小逐渐减小；此后，由于边界层由层流向湍流过渡过渡，流体微团的掺混使得热 阻减小，h hx x逐渐增加逐渐增加；转变成湍流边界层湍流边界层后，h hx x基本上不再变化基本上不再变化，几乎是个常量；1 1、流动和传热特征、流动和传热特征 第二节 自然对流传热自然对流传热流动状态的定量判据是格拉晓夫数自然对流传热流动状态的定量判据是格拉晓夫数GrGr;Gr数反映了流体浮升力与粘性力的相对大小；情形不同，划分层流与湍流的Gr数值范围不同。（1 1）边界层的形成和发展及）边界层的形成和发展及h hx x的变化的变化（见图（见图6-106-10）h hx x的变化情况的变化情况二、大空间自然对流传热（P100-102）第六章 各种对流传热过程2 2、计算公式、计算公式 第二节 自然对流传热式中：式中：（1 1）特征温度为（2 2）（3 3）C和n由实验确定，几种典型情况下的数值列于P102表6-6。二、大空间自然对流传热（P100-102）第六章 各种对流传热过程这一特征可用来指导实验：指导实验：只要实验中保持湍流自然对流传 热，实验模型的尺寸可比已定特征数相等所要求的更小一些，这样并不影响特征数实验关联式的准确性，由于模型尺寸变由于模型尺寸变 小，整个设备变小，实验费用降低。小，整个设备变小，实验费用降低。第二节 自然对流传热3 3、自模化、自模化将表6-6的系数和指数代入计算公式时发现，湍流自然对流湍流自然对流 传热系数传热系数h h与特征尺寸与特征尺寸l lc c无关无关，这种现象称为自模化自模化。二、大空间自然对流传热（P100-102）第六章 各种对流传热过程例例6-56-5 室温为10的大房间中有一个外径为10cm的烟筒，其竖直部分高1.5m，水平部分长15m。求烟筒的平均壁温为110时，每小时的对流散热量。第二节 自然对流传热解：解：特征温度的物性值为：m=1.060kg/m3，cpm=1.005kJ/（kgK），m=0.029W/（mK），m=18.9710-6m2/s，Prm=0.696。，由附录查得空气（1 1）烟筒竖直部分的散热）烟筒竖直部分的散热第六章 各种对流传热过程 第二节 自然对流传热由表6-6知为湍流，C=0.10，n=1/3，代入计算公式所以 W/W/（m m2 2K K）W W（2 2）烟筒水平部分的散热）烟筒水平部分的散热第六章 各种对流传热过程 第二节 自然对流传热由表6-6知为层流，C=0.53，n=1/4，代入计算公式所以 W/W/（m m2 2K K）W W烟筒的总对流热流量=1+2=244+3539=3783W烟筒每小时的对流散热量为 Q=37833600=1.36107J第六章 各种对流传热过程 第二节 自然对流传热由此可见：由此可见：对这类表面温度不很高的物体，辐射传热量与自然 对流传热量在数量级上是相当的。讨论：讨论：烟筒的总散热量还应包括辐射传热。烟筒的总散热量还应包括辐射传热。计算气体自然对流传热量时，往往需考虑同时存在的辐射传热量。计算气体自然对流传热量时，往往需考虑同时存在的辐射传热量。取烟筒的发射率为0.85，周围的环境温度为10，则烟筒的辐射传热量可近似地按下式估算：第六章 各种对流传热过程三、有限空间自然对流传热（P103）有限空间自然对流传热有限空间自然对流传热是指壁面上的边界层形成和发展受到 限制时的自然对流传热。有限空间自然对流传热尺寸狭小，边界层互相干扰，因此流动 和传热情况较为复杂，很难用理论分析，目前主要靠实验研究主要靠实验研究 第二节 自然对流传热传热时传热时，高温壁将热量传给有限空间的流体，流体再将热量 传给低温壁。第六章 各种对流传热过程四、自然对流与强迫对流并存的混合对流传热 任何对流传热总是发生于存在温差的温度场中，温度梯度温度梯度必然会产生密度梯度产生密度梯度，因此在强迫对流传热中必然同时伴随有在强迫对流传热中必然同时伴随有自然对流传热自然对流传热。那么：那么：1 1、对流传热的三种典型情形、对流传热的三种典型情形（P P103-104103-104）（1 1）在什么情况下可以忽略可以忽略自然对流传