工程传热学：第五章 对流换热计算.ppt

* * 如果流体流动方向与圆柱体轴线的夹角（亦称冲击角）在300- 900的范围内时，平均表面传热系数可按下式计算 气流方向 β 管子方向 3 流体横向流过管束的换热 管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按照一定的的排列规则组合而成的。 * * 管束的排列方式很多，最常见的有顺排和叉排两种 d d S1 S1 S2 S2 umax u∞ u∞ t∞ t∞ (1)叉排管束 (2)顺排管束 * * 一般叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，扰动更剧烈，因而换热比顺排更强。 顺排则流动阻力小，易于清洗。 所以顺排和叉排的选择要全面权衡。 后排管的换热要好于第一排管，但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没有多少差异了。实验结果表明，当管排排数超过10排之后，换热性能就基本稳定不变了。 * * 平均表面传热系数 式中，s1和s2分别为垂直于流动方向和沿着流动方向上的管子之间的距离，而εz为管排数目的修正系数。此公式考虑了管子排列和管排数目对换热的影响。准则关系式的特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的流速，定性温度为流体平均温度。 * * 如果流体流动的方向与管束不垂直，也就是流体对管子的冲击角900的情况，在进行换热计算时要在式(5-16)计算出的表面传热系数的基础上乘以修正系数cβ * * §5-3 自然对流换热计算 自然对流：流场温度分布不均匀导致的密度不均匀，在重力场作用下产生的流体运动过程。 自然对流换热：流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。 1. 竖板2. 水平管 3. 水平板 4. 竖直夹层 5. 横圆管内侧 * * 1 大空间自然对流的流动和换热特征 以竖直平板在空气中自然冷却过程进行分析。 在垂直于壁面的方向上流体的速度从壁面处的uw=0，逐步增大到最大值umax，再往后又逐步减小到u∞=0。 紊流流动状态 层流流动状态 边界层速度分布曲线 边界层温度分布曲线 tw t∞ x 0 y x 0 y * * 这种流体速度变化的区域相对于流体沿着平板上升方向（图中的x方向）的尺度是很薄的，因而可以称之为自然对流的速度边界层。 与速度边界层同时存在的还有温度发生显著变化的薄层，也就是温度从tw逐步变化到环境温度t∞热边界层。 热边界层的厚度也是随着流动方向上尺寸(x)的增大而逐渐增大，因而竖直平板的换热性能也就会从平板底部开始随着x的增大而逐渐减弱。 * * 从竖直平板的底部开始发展的自然对流边界层，除边界层厚度逐步增大之外，其边界层中的惯性力相对于黏性力也会逐步增大，从而导致边界层中的流动失去稳定，而由层流流动变化到紊流流动。 如受迫对流的边界层从层流变为紊流取决于无量纲准则雷诺数Re一样，自然对流边界层从层流变为紊流也取决于一个无量纲准则格拉晓夫数Gr。 * * 2 竖板自然对流换热的微分方程组 大空间条件下的竖板自然对流换热是属于边界层流动换热的类型。前面导出的边界层流动换热的微分方程组在这里也应该是适用的。 自然对流换热的微分方程组的形式如下： * * 式中 动量方程中的压力梯度，按其在y方向上变化的特征，在边界层外部可以求出 于是动量方程变为 为了将方程中的密度差用温度差来表示，引入体积膨胀系数 * * 体积膨胀系数对于理想气体为其绝对温度值的倒数，即β=1/T，大多数一般气体可利用此式。 * * 采用相似分析的办法，引入变量达到参考值将方程组无量纲化。 引入变量参考值，如竖板高度L、特征流速ua、温度差 等 可以得出无量纲变量 : 得到竖板自然对流换热的无量纲微分方程组： * * 其物理意义反映了流体温差引起的浮升力导致的自然对流流场中的流体惯性力与其黏性力之间的对比关系。 * * Gr109时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态。 3 大空间自然对流换热计算 c、n值针对不同的自然对流换热问题给出。 公式物性量取值的定性温度为tm=(tw+t∞)/2，此公式仅用于壁面温度保持常数，即tw=const.。 对竖板或竖管（圆柱体），特征尺寸为板（管）高，对水平放置圆管（圆柱体），特征尺寸为外直径。 * * 4 受限空间自然对流换热计算 有些自然对流换热过程受到固体表面的限制而形成受限空间中的自然对流换热。 tw1 tw2 tw2