哈工大传热学 第6章对流换热15-17解析
传热学第六章答案解析
传热学第六章答案解析第六章复习题1、什么叫做两个现象相似，它们有什么共性？答：指那些用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描述的现象，如果在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对于成比例，则称为两个现象相似。
凡相似的现象，都有一个十分重要的特性，即描述该现象的同名特征数（准则）对应相等。
（1）初始条件。
指非稳态问题中初始时刻的物理量分布。
（2）边界条件。
所研究系统边界上的温度（或热六密度）、速度分布等条件。
（3）几何条件。
换热表面的几何形状、位置、以及表面的粗糙度等。
（4）物理条件。
物体的种类与物性。
2．试举出工程技术中应用相似原理的两个例子．3．当一个由若干个物理量所组成的试验数据转换成数目较少的无量纲以后，这个试验数据的性质起了什么变化？4．外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同？5、对于外接管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排数大于一定值后才与排数无关，试分析原因。
答：因后排管受到前排管尾流的影响（扰动）作用对平均表面传热系数的影响直到10排管子以上的管子才能消失。
6、试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。
答：由于流体由大空间进入管内时，管内形成的边界层由零开始发展直到管子的中心线位置，这种影响才不发生变法，同样在此时对流换热系数才不受局部对流换热系数的影响。
7、什么叫大空间自然对流换热？什么叫有限自然对流换热？这与强制对流中的外部流动和内部流动有什么异同？答：大空间作自然对流时，流体的冷却过程与加热过程互不影响，当其流动时形成的边界层相互干扰时，称为有限空间自然对流。
这与外部流动和内部流动的划分有类似的地方，但流动的动因不同，一个由外在因素引起的流动，一个是由流体的温度不同而引起的流动。
8．简述射流冲击传热时被冲击表面上局部表面传热系数的分布规律．9．简述数数，数，Gr Nu Pr 的物理意义．Bi Nu 数与数有什么区别？ 10．对于新遇到的一种对流传热现象，在从参考资料中寻找换热的特征数方程时要注意什么？相似原理与量纲分析6－1 、在一台缩小成为实物1/8的模型中，用200C 的空气来模拟实物中平均温度为2000C 空气的加热过程。
传热学第六章课件
ε R：弯管效应修正系数。（详见后述）
14
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
① ε l 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
数，又称管长修正系数。
εl≥1
15
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
3 加热液体或冷却气体
18
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
② ε t 为温差修正系数：
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εt 一般可按下式
计算：
液体：
加热
冷却
气体：
加热
冷却
19
第一节 单相流体的强迫对流传热
气体：
εR≥1
式中，R为弯管的弯曲半径
液体：
※特别地，对于蛇形管，直管段较短时必须考虑弯曲段的影响；
而直管段较长时（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εR=1。
21
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
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： 由题意，
① 选取特征温度，查取有关物性参数值。
27
第一节 单相流体的强迫对流传热
② 计算雷诺数Re，判定流动状态。
③ 选取公式，计算Nu数，进一步计算平均对流传热系数h。
传热学第六章
6. 对流换热基础理论6.1 知识结构1． 对流换热的特点；2． 换热系数h 及其影响因素； 3． 对流换热问题的数学描述：（1） 假设：不可压缩牛顿型流体，常物性，无内热源，忽略粘性耗散； （2） 方程组（换热、能量、动量、质量）各项物理涵义；（3） 平板层流强制对流的精确解（边界层理论，数量级分析简化）； （4） 平板层流强制对流的近似解（边界层理论，边界层积分）。
4． 实验求解方法： （1） 相似原理相似性质：彼此相似的现象，其同名准则必定相等。
相似判据：同类现象，单值性条件相似，同名已定准则相等，则现象相似。
相似解：实验关联式（准则方程式）。
（2） 准则确定方法：方程分析法、量纲分析法。
（3） 实验数据处理：误差分析，作图法求系数，数据回归。
（4） 实验关联式应用条件：适用范围，定性温度，特征尺度，特征流速，修正系数（入口、弯道、特性）。
5． 对流换热中常用准则（Nu 、Re 、Gr 、Pr ）的定义式及其物理涵义。
6.2 重点内容剖析6.2.1 概述对流换热——流体与固体壁面之间的热交换。
t h q t hA ∆=⇒∆=Φ…………（h 的定义式） (6-1) 一、任务求取 h=f （流体、物性、流态、换热面形状等）的具体表达式 二、思路（对流换热量=附壁薄层导热量）()t A h t t A h yt Ax w x y ∆=-=∂∂-=Φ∞=0λ (6-2)()x y x ytt h 0=∂∂∆-=⇒λ (6-3)式中：h x —— 局部表面传热系数λ —— 流体导热系数Δt —— 流体与壁面传热温差求取表面传热系数的问题←求取附面层温度变化率←求取流体温度场三、研究方法1·理论解——建立微分方程组→求解2·实验解—— 相似原理，量纲分析→实验准则→实验关联式四、影响对流换热的因素1· 流动的动力（1） 自然对流——由于流体各部分密度不同而引起的流动，其流动强度与受热不均匀程度、流体性质和空间大小及位置有关。
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
传热学第六章
第六章 单相对流传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联式
外掠平板流动
内部流动
6-3 内部强制对流换热实验关联式
6.3.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点 1.两种流态
6.3.1.管槽内强制对流流动与换热的特点 2. 入口段与充分发展段
流动进口段与充分发展段
管内等温层流流动充分发展段具有以下特征： (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；
6-2
可见，对于圆形管道，边界条件不同，对流换热强度也不同：
qw = 常数，Nu = 4.36，tw = 常数，Nu = 3.66。
6.3.3 管内层流强制对流换热关联式
对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于 短管，进口段的影响不能忽略，可用齐德－泰特关系式 计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：
在计算弯管内的对流换热时， 应在直管基础上加乘弯管修正因
子c R 。
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
对上述公式的几点说明：
1）上述公式都属于经验公式，当采用公式进行对流换热计算 时，要注意每个公式的使用条件；
2）在对流换热的研究中，曾经提出过数以十计的关联式，以 上几个公式只是有代表性的几个；
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对 流换热问题的可靠方法。 相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
6-1 相似原理与量纲分析
6-1 相似原理与量纲分析
6.1.1物理现象相似的定义
哈工大传热学 第6章对流换热15-17分解
换 （1）确定计算核准量，例如：Q、M、tfo 等
热 系 数
（2）确定核准量与的tfo相关关系 （3）按两种不同的途径计算核准量，分别得到H1和H2
计 （4）判断H1与H2，的大小关系
算 方 法
（5）如果：不相等，则根据tfo与核准量的相关关系 增大或减小tfo，重复回到步骤（3）
（6）如果：H1=H2，则所有数值正确，退出迭代
*** ***
第15讲 管内强迫对流分析
1
（1）进口段与充分发展段
本 （2）断面平均流速与平均温度
讲
内 容
（3）管长方向的力平衡与热平衡方程
（4）常热流与定壁温条件的管长温度变化规律 以及管长平均温度
第16讲 对流换热公式概论
（1）外掠平板公式总结
本 （2）管内强迫对流换热公式 讲 内 容 （3）外掠圆管对流换热公式
Nu
C
Ren
Pr
m
Prf Pr w
0.25
S S//
p
z
管 P165——（6-14）及表6-2、表6-3
对 定型尺寸、定性温度、特征速度的规定
流 适用范围：Pr、Re
公
式 一般规律：（1）叉排优于顺排，尾部漩涡的影响
（2）后排优于前排，20排的极限
（3）横掠优于纵掠
（4）不适用于肋片管管束
（4）由（ tfo1， H11 ）和（ tfo2， H12 ）确定直线函数1 （5）由（ tfo1， H21 ）和（ tfo2， H22 ）确定直线函数2
（6）两条直线的交点温度即为正确出口温度
第16讲 对流换热公式概论
本 讲 小 结
6
思考题
• 1.对流换热是如何分类的? 影响对流换热的主要物理因素. • 2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程? • 3.自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别? • 4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数(表面传热系 数),
传热学第六章
流动全部为紊流
局部传热系数关联式 Nuxm 0.0296Rex4m/5Prm1/3
平均传热系数关联式 Num 0.037Rem4/5Prm1/3
Rex=0≥108 0.6 Prm 60
混合边界层
h
1 l
xc
0
hcx
dx
1
l
xc
hcx
2 dx
Rem
u d o
层流 Rem 1.4 105
层流、紊流的转变
特征速度 来流速度 u∞ 特征尺寸 管外径 d0
Rem＞1.4 105
定性温度 热边界层的平均温度 tm=1/2(t∞+tw)
1.流动的特征
圆柱前半部，沿流动方向流体处于加速减压状态，沿流向压 力逐渐减小。圆柱后半部，沿流向压力逐渐增加。最大粘滞 摩擦力处于圆柱表面处，因而圆柱表面附近的流体受到的阻 力最大。
小结：利用关联式获取表面换热系数的关键步骤
1，熟悉对象：如流过平板、圆柱、球或管束； 2，确定特征温度，查表获取特征温度下流体的热物理参数； 3，确定特征长度，计算Re数； 4，确定要获取局部、还是平均表面换热系数； 5，选择合适的关联式计算无量纲表面换热系数，即Nu数； 6，计算换热系数。
2017/10/23
第六章 单相对流换热的实验关联式
Convection Heat Transfer
§6-1 管内强制对流传热
6.1.1管内强制对流流动和换热的特征
入口段 充分发展段
1. 层流和湍流判别
层流： Re 2300 过渡区： 2300 Re 10000 旺盛湍流： Re 10000
Nu f
《传热学第六章》课件
现代
计算机技术和数值模拟方法的兴起为 传热学研究提供了新的手段，推动了
传热学在各领域的广泛应用。
02
热传导
热传导的定义
热传导
是指热量在物体内部通过分子、原子 或其他微观粒子的振动和相互碰撞， 从高温部分传向低温部分的过程。
热传导的基本机制
主要包括分子热运动、热辐射和热对 流。
热传导的定律
傅里叶定律
在单位时间内通过某一截面的热量与该截面 面积及温度梯度成正比。
导热系数
表示材料传导热量的能力，其值越大，导热 性能越好。
热阻
表示热量在传递过程中的阻碍程度，热阻越 大，传热效率越低。
热传导的分类
非稳态热传导
热量传递过程中，物体各点的温度随时间变 化。
稳态热传导
热量传递过程中，物体各点的温度不随时间 变化。
详细描述
强制对流是指流体在外力作用下产生运动，从而与固体表面 进行热量交换；自然对流是指流体由于密度差而产生运动， 从而与固体表面进行热量交换；混合对流则同时存在强制对 流和自然对流。
对流换热的计算方法
总结词
对流换热的计算方法包括牛顿冷却公式、对流换热系数和热平衡方程等。
详细描述
牛顿冷却公式是计算对流换热的基本公式，给出了流体温度、固体表面温度、流体性质和换热系数之间的关系； 对流换热系数是表示流体与固体表面之间热量传递效率的系数，可以通过实验测定或经验公式计算；热平衡方程 则用于描述整个系统在稳态或动态下的热量平衡关系。
辐射换热的定律
总结词
辐射换热遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律、普朗克定律和维恩位移定律。
详细描述
斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了物体发射和吸收辐射的能力与温度的关系，普朗克定律则描述了黑体辐射 的特性，而维恩位移定律则揭示了物体发射的辐射峰值波长与温度之间的关系。这些定律是辐射换热 的基础，为计算提供了重要的理论依据。
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0.667
,
c 0.333 p
,
, d 0.417 0.25
结论：规律一致！
第16讲 对流换热公式概论
4
（1）局部对流换热系数的规律
外 转捩点与脱体点（分离点：80o—140o之间）
掠 圆
（2）外掠单管换热公式
管 对 流 公
Nu f
Prf0.37
Prf Prw
0.25
C Renf
式
P164——（6-13）及表6-1
第16讲 对流换热公式概论
5
（1）确定定性温度、定型尺寸、特征速度
换 （2）确定物性参数
热 （3）判别流态：Re、Gr
系 数
（4）选择公式及修正
计 （5）计算Nu数，进而得到 h
算
方
法 当定性温度不确定时，可以采取迭代法或者交点法
第16讲 对流换热公式概论
5
当定性温度不确定时，迭代法（P156，例6-2）：
Nu
C
Ren
Pr
m
Prf Pr w
0.25
S S//
p
z
管 P165——（6-14）及表6-2、表6-3
对 定型尺寸、定性温度、特征速度的规定
流 适用范围：Pr、Re
公
式 一般规律：（1）叉排优于顺排，尾部漩涡的影响
（2）后排优于前排，20排的极限
（3）横掠优于纵掠
（4）不适用于肋片管管束
第6章 单相流体对流换热
哈尔滨工业大学 张承虎 2013 / 05 / 06
内容安排
• 作业：P180-184 • 题号：1、17、19、27、37、38、44、52 •
内容安排
• 共3讲，6~7学时 • 第15讲 管内强迫对流分析
内
*** ***
容 安
• 第16讲 对流换热公式
排
*****
• 第17讲 自然对流
（4）由（ tfo1， H11 ）和（ tfo2， H12 ）确定直线函数1 （5）由（ tfo1， H21 ）和（ tfo2， H22 ）确定直线函数2
（6）两条直线的交点温度即为正确出口温度
第16讲 对流换热公式概论
本 讲 小 结
6
思考题
• 1.对流换热是如何分类的? 影响对流换热的主要物理因素. • 2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程? • 3.自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别? • 4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数(表面传热系 数),
Nu 0.023Re0.8 Pr0.4
管 内
h
u 0.8
,
0.8
,
0.6
,
c 0.4 p
,
0.4
,
d 0.2
对 （6）从Colburm类比公式看对流换热的影响因素
流
公 式
h
2
Pr 3
f
cum
8
f
0.3164 Re0.25
100 Re
0.25
h
u0.75 ,
, 0.75
f w
Prf Prw
Tf Tw
对 C、入口段的修正： d
流
L
公 式
D、离心的修正：螺旋管
R
d R
E、非圆管道的修正：水力直径与形状修正系数
F、管束排数的修正：外掠圆管
G、其它公式声明的修正
第16讲 对流换热公式概论
3
（1）层流公式 P159——（6-9a）（6-9b）（6-10a）（6-10b）
对 流 公 式
（3）注意准则关联式的适用范围（条件） ——Re、Pr、Gr、Ra、Gr/Re2 等的范围 ——温差的范围 ——入口段的限值
——边界条件的限值
（4）特别注意准则关联式的诸多修正
第16讲 对流换热公式概论
3
（4）特别注意准则关联式的诸多修正
A、加热与冷却的不同
管 内
B、物性不均的修正：
*** ***
第15讲 管内强迫对流分析
1
（1）进口段与充分发展段
本 （2）断面平均流速与平均温度
讲
内 容
（3）管长方向的力平衡与热平衡方程
（4）常热流与定壁温条件的管长温度变化规律 以及管长平均温度
第16讲 对流换热公式概论
（1）外掠平板公式总结
本 （2）管内强迫对流换热公式 讲 内 容 （3）外掠圆管对流换热公式
式 对于平均值，有公式（5-43）
（4）定型尺寸：全板长（或距起点距离）t
定性温度： （常壁温）
tm
特征速度：主流速度
f
2
tw
第16讲 对流换热公式概论
3
（1）注意公式计算的是局部值还是平均值 ——大部分为全管长的平均值
管 （2）特别注意准则关联式对以下三个量的规定
内
——定型尺寸、定性温度、特征速度
管 （2）过渡流公式
内 对
P154——（6-6a）（6-6b）
流 （3）紊流光滑管公式
公 式
P153——（6-4a）（6-4b）（6-5） 关于水力直径的应用条件——紊流越强11）（6-12）或布拉修斯公式
第16讲 对流换热公式概论
3
（5）从Dittus-Boelter公式看对流换热的影响因素
（4）了解对流换热系数的计算方法
1
第16讲 对流换热公式概论
2
（1）转捩点的判断 Re u x 5105
外 掠 平
（2）层流边界层段公式（常壁温） P119的公式（5-15）以及公式（5-16） 对于平均值，也有2倍公式（5-17）
板 （3）紊流边界层段公式（常壁温）
公 P133的公式（5-41）以及公式（5-42）
第16讲 对流换热公式概论
5
当定性温度不确定时，交点法（P166，例6-6）：
换 （1）确定计算核准量，例如：Q、M、tfo 等
热 系 数 计 算
（2）设定tfo1，按两种不同的途径计算核准量，分别得到 H11和H21 （3）设定tfo2，按两种不同的途径计算核准量，分别得到 H12和H22
方 法
换 （1）确定计算核准量，例如：Q、M、tfo 等
热 系 数
（2）确定核准量与的tfo相关关系 （3）按两种不同的途径计算核准量，分别得到H1和H2
计 （4）判断H1与H2，的大小关系
算 方 法
（5）如果：不相等，则根据tfo与核准量的相关关系 增大或减小tfo，重复回到步骤（3）
（6）如果：H1=H2，则所有数值正确，退出迭代
定型尺寸、定性温度、特征速度的规定 适用范围：Pr、Re
第16讲 对流换热公式概论
4
（1）管束的几何特征表述
外 A、排列方式：叉排与顺排 掠 B、外掠方式：横掠、纵掠、斜掠
圆 管
C、几何尺寸：排数N，直径d，两个间距：S1、S2
对
流
公
式
第16讲 对流换热公式概论
4
（2）外掠光管管束换热公式
外 掠 圆
其物理机理和数学方法是什么? • 5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义. • 6.管外流和管内流的速度边界层有何区别? • 7.为什么说层流对流换热系数基本取决与速度边界层的厚度? • 8.从边界层积分方程的应用结果来说明. • 9.为什么温度边界层厚度取决与速度边界层的厚度? • 10.对十分长的管路, 为什么在定性上可以判断管路内层流对