第六章 对流换热2

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传热学第六章对流换热

传热学第六章对流换热

6个未知量::速度 u、v、w;温度 t;压力 p;对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒: ——描述流体温度场 假设:(1)流体的热物性均为常量,流体不做功 (2)无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量:Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况:
在d时间内, 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内, 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内, 微元体中流体 温度改变了(t / ) d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2+ 2 2 x y z c x y z
boundary layer)
由于粘性作用,流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低; 在贴壁处被滞止,处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区:边界层区与主流区 边界层区:流体的粘性作用起主导作用
主流区:速度梯度为0,τ=0;可视为无粘性理想流体

u , 牛顿粘性定律 y
2)热边界层(Thermal boundary layer) 热边界层:当壁面与流体间有温差时,会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t (温度边 界层):过余温度(t -tw ) 为来流过余温度(tf - tw ) 的99%处定义为t的外边 界

第六章 单相流体对流换热

第六章 单相流体对流换热

1
1.77
d R
15
三、层流( Re 2300)时的换热
Pr数较大的油和水在壁温恒定的管内进
行层流换热
Nu f
1.86(Re f
Prf
d )1 / 3 ( f
L
w
)0.14
实验验证范围:
Prf 0.48
~
16700
,
f
w
0.0044 ~ 9.75
Re
f
Prf
1
d 3 f
L
w
0.14
个变值,应利用热平衡式:
hm Atm qmcp(tf tf )
式中,qm 为质量流量; tf、tf 分别为出口、进口截面上
的平均温度; tm 按对数平均温差计算:
tm
tf tf
ln
tw tw
tf tf
7
7. 特征速度及定性温度的确定 特征速度一般多取截面平均流速。 定性温度多为截面上流体的平均温度
表面传热系数为常数。
2
2.流动充分发展段层流和湍流的判断
• 层流:
Re 2300
• 过渡区: 2300 Re 10000
• 旺盛湍流: 10000 Re
3
3. 热入口段和充分发展段的判断(表面传热系数的变化)
(定壁温)充分发展段为层流或湍流的热入口段长度:
l / d 0.05 Re Pr
l / d 60
层流
湍流
4
4. 热入口段和流动入口段的关系
Pr=1 流动入口段=热入口段 Pr>1 流动入口段<热入口段 Pr<1 流动入口段>热入口段
层流
湍流
5
5. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。

数值传热学 第六章答案 (2)

数值传热学 第六章答案 (2)

数值传热学第六章答案简介本文档将为读者提供《数值传热学》第六章的答案。

第六章主要涉及热对流传热的数值计算方法,包括网格划分、边界条件、离散方法等内容。

通过本文档,读者将了解如何使用数值方法解决热对流传热问题,并学会应用这些方法进行实际计算。

问题回答1. 简述热对流传热的数值计算方法。

热对流传热的数值计算方法主要包括三个步骤:网格划分、边界条件设置和离散方法。

网格划分是指将传热区域划分为若干个离散的小单元,每个单元内部温度变化均匀。

常见的网格划分方法有结构化网格和非结构化网格。

结构化网格适用于简单几何形状,易于处理;非结构化网格则适用于复杂几何形状。

边界条件设置是指给定物体表面的边界条件,如温度或热流密度。

边界条件的设置需要根据实际问题来确定,可以通过实验或经验公式来获取。

离散方法是指将传热控制方程进行离散化,通常使用有限差分法或有限元法。

有限差分法将控制方程离散化为代数方程组,而有限元法则通过近似方法将方程离散化。

2. 什么是结构化网格和非结构化网格?它们在热对流传热计算中有何不同?结构化网格是指由规则排列的矩形或立方体单元组成的网格。

在结构化网格中,每个单元与其相邻单元之间的联系都是固定的,因此易于处理。

结构化网格适用于简单几何形状,如长方体或圆柱体。

非结构化网格是指由不规则形状的三角形、四边形或多边形组成的网格。

在非结构化网格中,每个单元与其相邻单元之间的联系可能是不确定的,需要使用邻接表来表示网格拓扑关系。

非结构化网格适用于复杂几何形状,如复杂流体流动中的腔体或障碍物。

在热对流传热计算中,结构化网格和非结构化网格的主要区别在于网格的配置方式和计算复杂度。

结构化网格由正交单元组成,计算稳定性较高,但对于复杂几何形状的处理能力较差。

非结构化网格可以灵活地适应复杂几何形状,但计算复杂度较高。

3. 如何设置边界条件?边界条件的设置是热对流传热计算中非常重要的一步,它决定了计算结果的准确性和可靠性。

对流换热二

对流换热二

,0.0044
f w
9.75
定性温度:全管长流体平均温度
定型尺寸:管内径d
⑵ 常物性流体热充分发展段Nu
Nuf 4.36
Nuf 3.66
(常热流q=const) (常壁温tw =const)
Darcy摩擦系数
f 64 层流
Re
0.3164 f Re0.25
Re 10000 ~ 2105
蒸汽中含有不凝性气体会显著恶化凝结换热
4、当把一杯水倒在一块赤热的的铁板上时, 板面上立即会产生许多跳动着的小水滴,而 且可以维持相当一段时间而不被汽化掉,请 从传热学的角度分析这一现象,并从沸腾曲 线上找出开始形成这一状态的点。(东华 2006,7分)
膜态沸腾,膜层热阻较大
5、有人提出管内定壁温层流换热的关联式
气体: , , 0.6 Prf 1.5
0.5 Tf 1.5 Tw
2300 Ref 104
Nuf
0.0214
Re0f .8 100
Prf0.4
1
d l
2
3
Tf Tw
0.45
液体: , , 1.5 Prf 500
0.05 Prf 20 Prw
2300 Ref 106
18、沸腾换热 饱和沸腾:一定压强下,当液体主体为饱和温度 ts ,
壁面温度 tw 高于 ts 时的沸腾。
过冷沸腾:主体温度低于饱和温度 ts ,而 tw 高于 ts 的沸腾。
沸腾温差:饱和沸腾时,壁温与饱和温度之差 t tw ts 沸腾曲线:热流密度q与沸腾温差 t的关系曲线。 核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾的特征。
控制壁温与控制热流密度改变工况的区别。
控制热流密度时应注意烧毁点C(临界热流密度 qmax),须控制q的峰值。

第6章-对流换热2

第6章-对流换热2

f (1.82 lg Re 1.64 )2 0.02096
23 (f 8)(Re 1000 ) Prf d 1 l ct 308 .8 23 1 12 .7 f 8(Prf 1)
Nu f
2. 非圆形截面槽道影响 用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方 程中去。
2.43 10 4 tw tf 39.7C 30 hA 7988 3.14 0.02 5

流体与固体壁温差=39.7-30=9.7°C < 20°C,在公式6-15 的试用范围内。所以假设正确。 用6-21a式计算,取tw=40°C,Prw=4.31, ηw=653.3×10-6kg/(m∙s), ηf=801.5×10-6kg/(m∙s),
f (1.82 lg Re 1.64)
范围为: Re 2300 ~ 10 6 f
2
Pr f 0.6 ~ 10 5
例题5-1 水流过长5m,壁温均匀的直管时,水的进、出口 温度分别为25.3℃和34.6℃,管子内径d=20mm,水在管内 流速为2m/s,试计算管内的表面传热系数。 解:
2
λ=2.9×10-2W/(m•K), υ=18.97×10-6m2/s, Pr=0.696,
流体为湍流,C=0.11, n=1/3
10 13 Nu m C (Gr Pr)n 0 . 11 ( 2 . 76 10 0 . 696 ) 295 m
hl Nu
295 0 . 029 W Nu W 5.7 2 h 2 1.5 l m K m K
二、 大空间自然对流换热 1、流动及换热特征 ( 以竖壁为例 )
波尔豪森分析解与施密特-贝克曼实测结果

第六章单相流体对流换热及准则关联式_传热学

第六章单相流体对流换热及准则关联式_传热学
1)弯管修正 弯曲的管道中流动的流体, 在弯曲处由于离心力的作用会 形成垂直于流动方向的二次流 动,从而加强流体的扰动,带 来换热的增强。
弯曲管道流动情况示意图
弯曲管道内的流体流动换热必须在平直管计算结果的基础上 乘以一个大于1的修正系数,即 h弯=cR h直 气体 液体
d c R 1 1.77 R 3 d c R 1 10.3 R
竖板(竖管)
水平管
水平板
竖直夹层
横圆管内侧
流体与固体壁面之间的自然对流换热过程
2. 自然对流的分类
无限空间自然对流换热:若流体处于大空间内,自然对 流不受干扰时 有限空间自然对流换热:若流体被封闭在狭小空间内, 自然对流受到狭小空间的限制时
3. 自然对流与受迫对流的差异
二.无限空间自然对流换热 1. 流动与换热特征:
' "
t m (t ' t " ) /(ln t ' t " )
(
' " t进口端流体与管壁温度, t出口端流体与管壁温度)
3、物性场不均匀
当流体与管壁之间的温差较大时,因管截面上流体温度变 化比较大,流体的物性受温度的影响会发生改变,尤其是流 体黏性随温度的变化导致管截面上流体速度的分布也发生改 变,进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。
管内流动为旺盛紊流。
Nuf 0.023 Re Pr
0.8 f
0.4 f
91.4
0.635W/(m K) 2 h Nuf 91.4 5804W / m K d 0.01m
f
§6-2 外掠圆管对流换热
一. 外掠单管
1.流动特点:
流动具有边界层特征,还会产生绕流脱体,从而 产生回流、漩流和涡束

《传热学》第六章 单相流体对流换热

《传热学》第六章  单相流体对流换热
影响h的因素分析:
2. 层流换热
西得和塔特常壁温公式:
对于长管,h近似为常数:
3.过渡流换热——格尼林斯基关联式 4.粗糙管壁的换热 ——采用类比原理进行分析
根据类比率得出的准则方程:
其中:
摩擦系数Cf的计算:
ks——粗糙点的平均高度
粗糙度增加对h的影响
紊流 层流
凹处形成涡流, h增大
换热面积增大, h增大
自然对流引起 的雷暴天气
一、无限空间自然对流换热
边界层速度 变化规律:
边界层温度 变化规律: 局部对流表面传热系数hx沿竖壁变化规律—— 在层流段逐渐降低,紊流段后增大,达到旺盛紊流时保持不变
X方向动量方程:
稳态流动: 体积力仅为重力: 根据量纲分析:
X方向动量方程简化为:
将:
代入上式,得:
X方向动量方程变为:
凹处流动不良, h减小
h增大
h不变
不锈钢椭圆管
椭圆管与同周 长圆管相比较
优点:换热强 缺点:阻力大
椭圆管换热器
第二节 外掠圆管对流换热
一、外掠单管
脱体分离点—— 流体产生与原流动方向 相反的回流时的转折点
分离点与流 速的关系:
——不产生脱体 ——层流,脱体点80°~85 ° ——紊流,脱体点140 °左右
二、管内受迫对流换热计算 管内对流换热能量守恒关系式:
1. 紊流换热
迪图斯-贝尔特公式:
定性温度:全管长流体平均温度tf
定型尺寸:管内径
迪图斯-贝尔特公式适用范围:流体和壁面温度差不很大,
西得和塔特公式:
——适用于流体与管壁间温差较大情况
非圆形管修正:采用当量直径
弯管修正:圆管结果乘以修正系数 (R为螺旋管曲率半径)

传热学课件第六章--单相流体对流换热

传热学课件第六章--单相流体对流换热

第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析(基本概念)
1.进口段与充分发展段 2>.对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有: t t t r r R w t t t t r w f w f
由于无因次温度不随x发生变化,仅是r的函数,故对无因次 温度求导后再令r=R,则上式显然应等于一常数。又据傅里叶 定律:q=-(t/r)r=R及牛顿冷却公式:q=h(tw-tf),上 t 式变为: t t r r R h Const w tw t f r tw t f


另外,不同断面具有不同的tf值,即tf随x变化,变化规律 与边界条件有关。
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析(基本概念)
2.定性参数 2>.管内流体平均温度 ①常热流通量边界条件: t tw// tw/
tf /
进口段 充分发展段
tf// x
如图,此时:tw>tf 经分析:充分发展段后: tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时,管内流体的平均温度为: t f t f tf 2
第三节
自 然 对 流 换 热
一、无限空间自由流动换热(大空间自然对流)
指热(冷)表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。 一般准则方程式可整理成: Nu=f(Gr· Pr) 一般Gr· Pr>109时为紊流,否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热,其准则方程式常可整理成: Num=C(Gr· Pr)mn C、n可参见表6=5,注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令:Ra=Gr· Pr Ra为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式,常见的 为邱吉尔(Churchill)和朱(Chu)总结的式6-19,20。
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m2
对于横圆柱 Grm,2

gd 3 V,m t
m2
初始瞬间,可以认为边界层的平均温度相等,温度差Δt 相等所以 Grm,1 L3
Grm,2 d3
均为层流所以C1=0.59,n1=1/4;C1=0.48,n1=1/4 那么对流换热系数的比值
Num,1 1/4 1/4 Nu 0.59 Gr h1 d 0.59 d m,1 d m,1 L 0.6912 1/4 h2 Num,2 Num,2 L 0.48 Grm,2 L 0.48 L d
6.5自然对流换热的计算
• 竖壁附近自然对流的温度分布和速度分布
– 温度不均造成的密度差引起自然对流 – 不均匀的温度场仅发生在壁面附近的薄层内 x, u, t – 温度随着距离的增加而降低 – 流体对流速度的速度分布存在峰值 t 是浮升力和流体与壁面或者流体之间 u 摩擦力共同作用的结果 竖壁附近自然对 流的温度分布和 速度分布
应采用水平放置
作业总结
• 大家很认真,错误较少,希望继续保持
Num
hl
m
没有考虑辐射换热
首先判断能 否满足专用 式的使用条 件。
hAt
作业
• 1,2,4
• 1
特性温度:tm=(170+30)/2 ℃=100 ℃ 查附录5得:λm=3.21×10-2 W/(m·℃) νm=23.13×10-6 m2/s Prm=0.688 空气的体胀系数αV=1/T=1/373K-1 3 gH V,m t 9.81 33 140 由此计算出: 11 Gr 1.8582 10 m2 373 23.132 1012 按表6-1处于湍流流态,C=0.11,n=1/3 Num=0.11(Grm· Prm) 1/3=0.11×(1.8582×1011×0.688)1/3=554.14
δ
y
• 大空间自然对流换热问题
– 悬吊在大厂房中的热铸件或热工件 – 实际中只要换热薄层不受干扰,就可以归入 – 判据 a/H>0.28 a – 大空间自然对流换热的实验 准则关系 Num C Grm Prm n 对于液态工质,应当乘以一个校正因 0.11 子: Prf / Prw 下标m表示平均值,C,n通过实验确 定。 另外, hl 因此可以计算平 Num m 均表面换热系数 其定性温度取边界 t w tf tm 层的平均温度 2
两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等,方向 相反,并且作用在同一直线上——牛顿第三定律
动量微分方程
u u u x方向: u v w g xV t 2u y z x v v v 2 u v w g t v y方向: y V y z x w w w 2 u v w g t w z V z方向: x y z
(1)
(2)
(3)
(1)代表惯性力;(2)项代表浮升力,gx、gy为x、y向 的重力加速度,αV为体胀系数;(3)项代表粘滞力,μ 为动力粘度。 对于较强的强制对流,重力的因素可以忽略不计
• 连续性微分方程
– 推导依据是质量守恒定律,即单位时间内,净 流入微元体的质量等于微元体的质量增量。 – 推导过程超出本课程范围 – 对于不可压缩粘性流体在稳态、常物性场合下, 连续性微分方程为
Num m 554.14 3.21102 h 5.93W/(m2 C) 3 l
Q h At 5.93 3 12 140 2.99 104 W
• 2
边界层平均温度,tm=(tw+tf)/2 =(48+23)/2=35.5℃ 符合准则关系式
t h 1.34 d
比如,横圆柱在空气中的自然对流换热在 1/4 30C tm 70C专用式为 t
t 简单但是没有普适性 h A l
℃ h 1.34 W/m2· d
其中,Δt=tw-tf,d为圆柱直径
根据实验准则,计算 出Nu准则,然后依 据Nu准则定义式计 算平均换热系数 查附录5 Tm=tm+273 K △ t=tw - tf
x y z X ,Y , Z , l l l u v w U ,V ,W , u0 u0 u0 t tf t0 t f
l为长度基准量,u0为速度 基准量,t0为温度基准量, tf周围介质温度,t-tf为过余 温度θ
用无量纲量表示,能量微分方程可以变为如下形式 a 2 2 2 U V W 2 2 2 X Y Z u0l X Y Z
等式两边同时除以
能量微分方程
U U U 1 P 1 2U 2U 2U U V W 2 2 2 X Y Z 2 X Re X Y Z lu lu lu 其中无量纲综合量 Re 称为雷诺准则
u0 2 l
6.4对流换热的无量纲准则
• 对流换热微分方程组的解总可以归结为有 关准则之间的关系式。 • 稳态强制对流换热的准则关系式。 • 稳态自然对流换热的准则关系式。
• 稳态强制对流换热的准则关系式
– 稳态能量微分方程无量纲化
2t 2t 2t t t t u v w a 2 2 2 x y z x y z 相关物理量的无量纲化
u v w 0 x y z
• 对流换热微分方程组表明,对流换热系数h 的解涉及的物理量为数众多,方程组的确 立从理论上揭示各物理量间的内在联系, 提供了将为数众多的影响因素归并成为数 不多的无量纲准则的可能性。
h f (u, tw , t f , , , c p , , , l , )
gV tl gV tl 1 Gr 2 2 2 2 2 u ul Re
3 2
gV tl 3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
Gr
为格拉晓夫准则
• 对于自然对流的准则关系式 Nu=f5(Gr,Pr) 自然对流的准则关系式
• 定性温度和特性尺度
– 确定准则中物性的温度称为定性温度。不同的定 性温度将影响准则关系式的具体形式。流体的平 均温度tf,流体主流与壁面的平均温度tm=(tf+tw)/2 – 准则中包含的几何尺度l称为特性尺度。一般选用 在对流换热中起决定作用的几何尺度作为特性尺 度。
其中无量纲综合量, Pr = 称为普朗特准则, a ν= μ/ρ为运动粘度
• 从能量微分方程和动量微分方程的无量纲 形式可以看出流体温度场是空间和Re及Pr 准则的函数。Θ=f1(X,Y,Z,Re,Pr) • 换热微分方程的无量纲化形式
h
t
t y
y 0
Y hl
Y 0
其中无量纲综合量 Nu 换热微分方程组的解可表示成
hl

为努赛尔准则
Nu=f2(X,Y,Z,Re,Pr)
• 对于规定地点或整个表面的平均对流换热 系数来说,对流换热系数不再是空间函数 Nu=f3(Re,Pr) 强制对流的准则关系式 • 对于自然对流,动量微分方程中的浮升力 项不能忽略
g xV t0l U U U 1 2U 2U 2U U V W 2 2 2 2 X Y Z u0 Re X Y Z
a 2 2 2 U V W 2 2 2 X Y Z u0l X Y Z 等式两边同时乘以雷诺准则
1 2 2 2 Re U V W 2 2 2 Y Z Pr X Y Z X
第六章 对流换热

动量微分方程
作用于微元体表面和内部的 所有外力的总和等于微元体 中所有动量变化率。
– 整个推导依据是牛顿第二定律 – 具体推导已超出本课程要求 – 对于不可压缩粘性流体,在稳态、常物性(浮力 项中,不包括密度)场合下动量微分方程。 一切物体在没有受到力的作用时,总保持静止状态或 匀速直线运动状态——牛顿第一定律 物体的加速度跟所受合外力成正比,跟本身质量成反 比,加速度方向跟合外力方向相同——牛顿第二定律

1/4
25 1.34 0.583
1/4
3.429W/(m 2 C)
每米长保温管道由自然对流引起的散热量
h(tw tf ) A 3.429 25 π 0.583 1 157W
• 4对于竖圆柱
Grm,1
gL3 V,m t
u0 t0 能量微分方程无量纲形式 l
– 动量微分方程的无量纲化
u u u 2 u v w g xV t u y z x p 2 u 0 无量纲压力 P 为压力基准量 2 ,其中 u0 2 2 对于强制对流可以忽略浮升力
两个相邻热竖壁 自然对流边界层 成长的示意图
H
• 影响系数C和指数n的因素
– 换热面形状 – 位置 – 边界条件 – 换热流体流态 – 工程中常用的一些C,n值见表6-1 其计算过程是首先计算Gr准则,确定流体流态, 然后选定C,n。
• 在一些专业应用中,涉及到某一种气体在 有限温度范围内的换热计算。实验关系式 可以简化成如下形式: n
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