传热学V4单相对流传热的实验关联式.pptx

第六章单相对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-1 相似原理与量纲分析对流换热的研究方法：分析法；比拟法；基于相似理论的实验方法；数值计算方法。对流换热的主要研究方法：基于相似理论的实验方法 WHY?WHAT?HOW?WHY?1.实验变量多 实验中应测哪些量?是否所有的物理量都测?实验数据如何整理?整理成什么样函数关系?2.实验结果推广应用的条件是什么?3.如果实物实验无法开展怎么办?相似理论Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat TransferWHAT?相似原理研究的基本内容:研究相似物理现象之间的关系物理量相似的性质:1.用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象称为同类现象,只有同类现象才能谈相似问题;（注意“相似”与“类比”或“比拟”概念的区别）2.对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量对应成比例,称为物理量相似;3.相似的物理现象,同名无量纲准则数必定相等;Q:实验中应测哪些量,是否所有的物理量都测?A:实验中只需要测量无量纲准则数所包含的物理量.6-1 相似原理与量纲分析Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-1 相似原理及量纲分析相似准则之间的关系:1.物理现象中的各物理量之间的关系由微分方程及定解条件确定；因此，基于无量纲物理量的准则数之间也必定存在确定的函数关系。将此类无量纲准则数间关系式称为准则方程或特征数方程。Q:实验数据如何整理?整理成什么样函数关系?A:实验数据按照相似准则方程式的内容进行整理,对于对流换热问题,一般整理成准则数的幂函数形式.Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-1 相似原理及量纲分析判断物理现象相似的条件:1.同名的已定准则数相等；（已定准则数已知的物理量构成的准则数）2.单值条件相似。（初始条件、边界条件、几何条件、物理条件）Q:实验结果推广应用的条件是什么?如果实物实验无法开展怎么办?A:只要物理现象间满足相似条件，则实验关联式（准则方程）可以推广；实物实验可由满足相似的模型实验代替。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-1 相似原理及量纲分析某一物理现象涉及哪些无量纲准则数？它们之间的函数关系(准则数方程式)如何？相似分析法量纲分析法相似分析法:通过将微分方程各物理量进行无量纲化来获得无量纲相似准则数的方法.Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-1 相似原理及量纲分析量纲分析法:通过物理量量纲(单位)的匹配关系来获得无量纲相似准则数的方法 基本依据：定理一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换为包含 n-r 个独立的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。流体力学的基本量纲：时间T s，长度L m，质量M kg 传热学的基本量纲：时间T s，长度L m，质量M kg，温度 K优点:方法简单；在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量.实质：量纲和谐原理：凡是反映客观物理过程间物理量相互关系的方程式，必然是量纲和谐的，即方程式各项的量纲（单位）是一致的。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-1 相似原理及量纲分析量纲分析法:基本步骤：1.明确影响传热过程的全部 n 个物理量；2.选择其中 r 个物理量作为基本物理量，对于传热学问题，一般 r4；3.对于r 个基本物理量之外的 nr 个物理量，每次取一个，与 r 个基本物理量一起组成一个幂指数形式的 方程，共有nr 个方程；4.对每个 方程应用量纲和谐原理确定 r 个待定指数；5.根据确定的r 个幂指数得到 nr 个无量纲准则数，并确定准则数方程。实例：圆管内单相强制对流换热问题Nuf(Re,Pr)VIPShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-2 相似原理的应用HOW?传热学实验研究中如何基于相似原理进行安排？传热学实验研究中如何安排实验工况？以相似准则数作为安排实验的依据。以强制对流实验测量为例：Nuf(Re,Pr)，则以Re 和 Pr 为自变量确定不同的实验工况。优点在于可以大幅度减少实验次数。传热学实验研究中如何整理实验数据？采用准则方程的幂指数形式来整理。对于对流换热问题：式中：常数 C,m,n,l 由实验数据确定。数据点少时采用图示法确定；数据点较 多时采用最小二乘法。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-2 相似原理的应用基于相似理论的对流换热实验研究方法注意事项：1.不能严格满足相似条件时，只要关键条件满足相似原理即可；2.实验研究总有一定的范围（Re，Pr，几何参数），依据实验结果整理得到的准则方程需明确适用范围；3.特征长度、特征流速和定性温度的选取方式应与得出准则方程时的实验范围相同。传热学问题的常见准则数及其物理意义（教材表6-1）基于相似理论的单相对流传热实验研究方法：内部流动强制对流换热（管内层流、湍流）外部流动强制对流换热（外掠平壁、外掠单管、外掠管束）自然对流（大空间、有限空间）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-2 相似原理的应用例例：基于相似原理的管内湍流强制对流换热实验实例。管子采用电加热。需要测量哪些物理量？如何处理实验数据？实验系统如何布置？实验需要测量的物理量：加热器的电流、电压，由此计算加热量（管子外表面需要绝热处理）；管内壁面温度，进出口水流温度（由此确定定性温度，并查取水的物性）；管内水的体积流量；管子的内径和长度。上述物理量按照Nu，Re，Pr 进行整理，并确定工况。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-2 相似原理的应用由实验数据确定常数C,m,n (教材图6-4，6-5)Maybe迪图斯贝尔特管内湍流对流换热实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-3 内部强制对流传热的实验关联式管槽内部强制对流换热:内部强制对流在工程上有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等内部强制对流与外部强制对流：管槽内部强制对流受流道壁面的约束，边界层的发展受到限制。（与外掠等温平板强制对流的区别）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管槽内部流动强制对流流动与换热的特点1.流动亦分为层流和紊流，管内临界雷诺数Rec2300 Re2300，层流；2300Re10000，旺盛湍流区2.存在入口段，入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大 入口段长度 l：l/d 0.05RePr （层流）l/d 60 （湍流）层流 Rex2300湍流6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管槽内部流动强制对流流动与换热的特点3.充分发展段，局部表面传热系数为常数 充分发展段：6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管槽内部流动强制对流流动与换热的特点4.管内流动的换热边界条件有两种：恒壁温 twconst 和恒热流 qwconst。湍流：除液态金属外，两种边界条件的差别可忽略。层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。对于管内层流充分发展段 恒壁温：Nu3.66 表6-2 恒热流：Nu4.365.计算Re时的特征速度一般取管内截面的平均流速，计算物性时的定性温度一般取截面平均温度或进出口截面的平均温度。6.应用牛顿冷却公式计算对流换热量时平均温差的确定hAtm：恒热流：恒壁温：源于教材图6-76-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管内湍流对流换热的实验关联式 通式（迪图斯贝尔特公式）：式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值；特征流速为管内平均流速；特征长度为管内径；非圆截面管，特征长度取为当量直径 de4Ac/P （Ac为截面积，P为湿周）。加热流体 n0.4冷却流体 n0.3得到Nu 或h 后即可根据牛顿冷却公式计算管内湍流强制对流换热量或热流密度适用范围：1.l/d 60 的光滑管道湍流流动充分发展段；2.流体与壁面具有中等以下的温差：气体50 水2030 油103.Ref1041.2105，Prf0.71204.对于恒壁温、恒热流边界条件均适用5.不适用于Pr 数很小的液态金属6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管内湍流对流换热的实验关联式 通式（迪图斯贝尔特公式）：加热流体 n0.4冷却流体 n0.3推广使用时的修正：1.温差大于适用范围时：流体的粘度受温度影响，截面速度分布与等温情况有差异，从而影响换热，需要引入修正系数ct：气体 ct液体 ct1被加热被冷却被加热被冷却适用大温差的其它计算公式：格尼林斯基公式（精度较好）见教材（6-21）式6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管内湍流对流换热的实验关联式 通式（迪图斯贝尔特公式）：加热流体 n0.4冷却流体 n0.3推广使用时的修正：2.l/d 60 的光滑管道入口段：由于热边界层薄，表面传热系数增加，需要引入大于1 的修正系数cl：cl1+(d/l)0.73.螺旋管或弯管：由于二次流破坏了热边界层，强化了传热，需引入修正系数cr：气体液体R为螺旋管或弯管的曲率半径修正后迪图斯贝尔特公式：6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管内湍流对流换热的实验关联式 格尼林斯基公式式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值；特征流速为管内平均流速；特征长度为管内径；非圆截面管，特征长度取为当量直径 de4Ac/P （Ac为截面积，P为湿周）。适用范围：1.光滑管道湍流流动过渡区与充分发展段；2.Ref2300106，Prf0.61056-3 内部强制对流传热的实验关联式相比于其它管内湍流对流换热的实验关联式具有较高精度Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer管内层流对流换热的实验关联式 齐德泰特公式式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值；特征流速为管内平均流速；特征长度为管内径；适用范围：入口段；层流 Re 恒壁温的 Nu）；层流充分发 展时的换热与Re数无关。12管内层流入口段6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 管槽内部强制对流换热的强化：机理：减薄或消除热边界层。措施：增加流速、增加内壁粗糙度；内肋管、内螺纹管；弯管、扭曲管等。注意：强化传热的措施往往引起流动阻力的增加，需要综合考虑。6-3 内部强制对流传热的实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热：MEMS:特征尺度10-6m10-3m，流动与传热存在尺度效应。6-3 内部强制对流传热的实验关联式克努森数：Kn/lKn0.001，连续介质区0.001Kn0.1，速度滑移与温度跳跃区0.1Kn10，过渡区Kn10，自由分子区特点：1.控制过程的作用力影响显著变化；2.表面粗糙度影响显著变化；3.壁面导热影响明显；4.流体的可压缩性；5.气体的稀薄性。纳米流体：基础流体中添加纳米尺度颗粒构成的复合流体。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式外掠平壁层流对流换热：外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不受邻近壁面的约束。（外掠平壁、横掠单管、外掠球体、横掠管束）Re 5105,湍流横掠单管对流换热：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体现象。一般来说，脱流强化了传热，但是增加阻力损失。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer横掠单管绕流的特点：前半圆周：压力减小速度增加后半圆周：压力增加速度减小逆压梯度是造成流动分离的直接原因6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式压力减小压力增加Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer横掠单管绕流的特点：Re101.5105：层流，脱体角 8085Re1.5105：湍流，脱体角 1406-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer横掠单管绕流对流换热的特点：圆柱体绕流对流换热的局部表面传热系数不仅与Re，Pr相关，而且与流动分离相关。平均表面传热系数的实验关联式采用基于不同Re范围的分段幂次函数表示。6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer横掠单管对流换热实验关联式：式中：C,n 的值见教材表 6-5；定性温度tm(tw+t)/2；特征长度为管外径d；特征速度 为来流速度u注意：1.对于气体和液体均适用；2.适用范围：t15.5980，tw211046，Re0.441053.计算时需要分段取值；4.非圆截面亦适用，此时C,n 的取值及适用的Re范围见教材表6-6；5.对于整个实验范围均适用的实验关联式为邱吉尔-朋斯登公式（教材式6-29）分段幂次关联式6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer纵掠单管对流换热如何考虑？可视为长l，宽d 的外掠平板6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式u，t外掠球体对流换热实验关联式Re 5105,湍流式中：定性温度为来流温度；特征流速为来流速度；特征长度为球直径；适用于：Pr0.71380，Re3.57.6e+4Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer横掠管束对流换热实验关联式：横掠管束流动的特点：换热器中常用；分为叉排和顺排两种形式。叉排扰动大，换热强，但阻力损失大；顺排扰动小，换热弱，但是阻力小，且易于清洗；前后排间的干扰可引入修正系数，由于排数越多，扰动加剧，换热增强，所以大于16排后不需要修正。注意：管束流动Re计算时特征流速取为最窄截面的平均流速。6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH 顺排（表6-7），叉排（表6-8）1.定性温度tm进出口流体平均温度;2.适用于管排总数16；3.管距参数s1,s2包含于公式4.适合Pr0.6500，Re121065.管排总数小于16时修正（表6-9）传热学 Heat Transfer横掠管束对流换热实验关联式：茹卡乌斯卡斯关联式6-4 外部流动强制对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer6-5 自然对流换热及其实验关联式 自然对流：由流体自身温度场的不均匀而引起密度不均匀，并在重力作用下产生浮升 力而引起的流动现象。gtdowntuptdown tup绝热绝热特点：自然对流的流动和传热不需要外界动力源；驱动力为温差，但是有温差不一定存在自然对流；不均匀的温度场和速度场发生于近壁薄层，速度分布具有两头小、中间大的特点；自然对流也分为层流和湍流。判别准则为格拉晓夫数Gr;自然对流的准则方程式：Nuf(Gr,Pr)；按流动的边界层是否受干扰，分为大空间自然对流和有限空间自然对流。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 自然对流：由流体自身温度场的不均匀而引起密度不均匀，并在重力作用下产生浮升 力而引起的流动现象。特点：自然对流的流动和传热不需要外界动力源；驱动力为温差，但是有温差不一定存在自然对流；不均匀的温度场和速度场发生于近壁薄层，速度分布具有两头小、中间大的特点；自然对流也分为层流和湍流。判别准则为格拉晓夫数Gr;自然对流的准则方程式：Nuf(Gr,Pr)；按流动的边界层是否受干扰，分为大空间自然对流和有限空间自然对流。u(x,y)ygxvu6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 自然对流：由流体自身温度场的不均匀而引起密度不均匀，并在重力作用下产生浮升 力而引起的流动现象。特点：自然对流的流动和传热不需要外界动力源；驱动力为温差，但是有温差不一定存在自然对流；不均匀的温度场和速度场发生于近壁薄层，速度分布具有两头小、中间大的特点；自然对流也分为层流和湍流。判别准则为格拉晓夫数Gr;(竖平板，Grc109)自然对流的准则方程式：Nuf(Gr,Pr)；按流动的边界层是否受干扰，分为大空间自然对流和有限空间自然对流。6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 自然对流的主要准则数：格拉晓夫数Gr自然对流的浮升力式中：为体积膨胀系数自然对流动量微分方程无量纲相似分析法式中：t=tw-t 为过余温度 t-t自然对流的准则方程式：Nuf(Gr,Pr)6-5 自然对流换热及其实验关联式理想气体：1/TShanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 自然对流：由流体自身温度场的不均匀而引起密度不均匀，并在重力作用下产生浮升 力而引起的流动现象。特点：自然对流的流动和传热不需要外界动力源；驱动力为温差，但是有温差不一定存在自然对流；不均匀的温度场和速度场发生于近壁薄层，速度分布具有两头小、中间大的特点；自然对流也分为层流和湍流。判别准则为格拉晓夫数Gr;自然对流的准则方程式：Nuf(Gr,Pr)；按流动的边界层是否受干扰，分为大空间自然对流和有限空间自然对流。大空间：热边界层不受相邻壁面干扰的均可视为大空间。a/H 0.286-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 大空间自然对流换热的实验关联式：恒壁温 twconst式中：C,n 的值见教材表 6-10；定性温度取平均温度tm(tw+t)/2；特征长度对于竖平板和竖圆柱取高度H，对于横圆柱取外径d。说明：1.自然对流为湍流时，表面传热系数h 与特征长度H,d 无关，称为自模化。实验时可采用小尺寸模型；2.理想气体时，体积膨胀系数1/T,其它介质的物性由定性温度查物性参数表；3.对于竖圆柱，径高比d/H 必须满足分段幂次关联式6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 大空间自然对流换热的实验关联式：恒壁温 twconst 水平平板式中：定性温度取平均温度tm(tw+t)/2；特征长度取为A/P，其中A为平板面积，P为平板周长。水平平板热面朝上：水平平板热面朝下：6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 大空间自然对流换热的实验关联式：恒热流 qwconst 水平平板恒热流情况下壁面温度tw 未知，采用修正的Gr 数来计算：式中：B,m 的值见教材表 6-11；定性温度取平均温度tm(tw+t)/2；特征长度对于矩 形取短边长。该关联式主要应用于电子元器件自然对流换热计算。6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 有限空间自然对流换热的实验关联式：封闭空气夹层 竖封闭夹层式中：定性温度取平均温度tm(tw1+tw2)/2；特征长度为夹层厚度。实验验证范围6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 有限空间自然对流换热的实验关联式：封闭空气夹层 水平封闭夹层式中：定性温度取平均温度tm(tw1+tw2)/2；特征长度为夹层厚度。注意：1.当夹层的Gr 很小时，封闭空气夹层的传热过程为导热；2.封闭空气夹层的传热量自然对流+辐射换热。6-5 自然对流换热及其实验关联式Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 6-6 射流冲击传热及其实验关联式流体在压差作用下通过喷嘴或窄缝高速喷射到被冷却物体表面，在直接冲击区域产生的强烈对流传热。滞止点的局部表面传热系数最高Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 6-6 射流冲击传热及其实验关联式不同H/D下，单圆喷嘴射流冲击传热的变化特点：Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer 6-6 射流冲击传热及其实验关联式单圆喷嘴射流冲击传热DHr式中：定性温度取平均温度tm(tw+t)/2 特征长度为滞止点圆半径 r 特征流速为射流出口平均流速。实验验证范围：单狭缝喷嘴射流冲击传热dH式中：定性温度取平均温度tm(tw+t)/2 特征长度为2狭缝宽度d 特征流速为射流出口平均流速。实验验证范围：Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer无相变对流换热问题的一般计算步骤 1.判断问题的性质（有无相变？自然对流 or 强制对流？内部 or 外部？层流 or 湍流？）；2.选择正确的实验关联式，注意区分局部Nux 和平均 Nu 数；3.注意准则数中特征流速、特征长度和定性温度的选取；4.计算前有未知参数时，先取初始假定值，然后迭代求解；5.由Nu 或 h 代入牛顿冷却公式计算热流量或热流密度；6.计算换热量时有时必须考虑热辐射的影响；7.依据表面传热系数的大致范围判断计算的准确性。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer作业（11月 日交）6-26-46-86-126-196-286-346-466-646-70Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer补充例题1：水平封闭夹层，16mm，上下表面温度分别为80和40，夹层内部为空气。在忽略辐射换热量的前提下，比较上表面为热面和下表面为热面情况下的热流密度。补充例题2：试计算图示管道的当量直径。d1d2注意自然对流产生的条件Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer补充例题3：热线风速仪是测量气流速度的常用设备。将直径为0.1mm的热丝与来流方向垂直放置。来流气流温度为 25，热丝温度恒定为55，热丝的电加热功率为20 W/m。假定除热对流外无其它热量损失。确定此时的来流风速。1.存在未知量时先假定，再验证。2.实验关联式的应用需要满足应用范围。补充例题4：为增强金属表面的散热，在金属表面伸出一组圆形截面的直肋，肋根温度为定值。肋片材料导热系数为98W/(mK)，肋片叉排布置，s1/d=s2/d=2，d10mm。冷空气横掠肋片，气流温度tf35，最窄截面流速3.8m/s。肋片表面平均温度tw65。假设流动方向肋片排数大于10。求肋片效率大于83时肋片的最大高度。导热问题与对流问题的综合分析。