文档介绍：2017/11/12
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第五章对流换热计算
§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算
§5-2 流体外掠物体的对流换热计算
§5-3 自然对流换热计算
由于对流换热微分方程组的复杂性,除少数简单的对流换热问题可以通过分析求解微分方程而得出相应的速度分布和温度分布之外,大多数对流换热问题的分析求解十分困难。因此,在对流换热的研究中常采用实验研究方法来解决复杂的对流换热问题。在本章中,介绍实验关系式时,都会指出关系式的特征尺寸、特征流速、定性温度,及适用的雷诺数和普朗特数的范围。
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§5-1 管(槽)内流体强制对流换热计算
1 管(槽)内流动换热的特点
流体在管内流动属于内部流动过程,其主要特征是,流动存在着两个明显的流动区段,即流动进口(或发展)区段和流动充分发展区段。
在流体进入管内,与管壁面相接触时,由于流体粘性力的作用,在接近管壁处同样也会形成流动边界层。随着流体逐步深入管内,边界层的厚度也会逐步增厚,当边界层的厚度等于管子的半径时,边界层在管子中心处汇合,此时管内流动成为定型流动。
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进口区:流动和热边界层从零开始增长,直到汇合至管子中心线。管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口区。
充分发展区:边界层汇合于管子中心线以后的区域,即进入定型流动的区域。进入充分发展区后,流动及换热已经充分发展,此后的换热强度将保持不变。
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层流:如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流,那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态,从而构成流体管内层流流动过程。
入口段热边界层较薄,局部表面传热系数比充分发展段高,且沿主流方向逐渐降低。
管内层流对流换热
局部表面传热系数的沿程变化
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紊流:如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动,那么进入充分发展区后就会继续保持紊流流动状态,从而构成流体管内紊流流动过程。
如果出现紊流,紊流的扰动与混合作用又会使表面传热系数有所提高,再逐渐趋向一个定值。
管内紊流对流换热
局部表面传热系数的沿程变化
过渡流动:如果边界层在管中心处汇合时流体流动正处于从层流向紊流过渡的区域,那么其后的流动就会继续保持过渡性的不稳定流动,构成流体管内过渡流动过程。
实验表明:对于管内流动,雷诺数Re
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当流体温度和管壁温度不同时,在管子的进口区域同时也有热边界层在发展,随着流体向管内深入,热边界层最后也会在管中心汇合,从而进入热充分发展的流动换热区域,在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。随着流动从层流变为紊流,热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。
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流动进口区长度L:
热进口段长度Lt:
对于层流和紊流,管内流动进口区的长度和热进口区的长度都是不一样的。
对于管内流动而言,热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种典型情形。
均匀热流与均匀壁温下流体平均温度与壁面温度的沿程变化