外掠圆管强迫对流换热
传热学--外部流动强制对流换热实验关联式 ppt课件
u
u x
v
u y
g
t
t
2u y2
g t t
浮升力(buoyancy force)是重力与压力梯度综合作用结果
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2.相似特征数的导出
无量纲化 U u ,V v , X x ,Y y , T T
u0
u0
L
L
顺排（》16排）
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ppt课件 叉排（》16排）
管排修正系数en
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例题6-5,P262
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6.5 自然对流换热实验 关联式
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一、工程背景
1.暖气管散热 2.室外变压器散热 3.事故条件下核反应堆散热 4.冰箱(冰箱里食物不要装得太满) 5.电子器件冷却
t∞=15℃，换热表面平均温度tw=125℃，功率P=40ห้องสมุดไป่ตู้5W 。由于换
热管表面的辐射及换热管两端通过风洞侧壁的导热，估计约有 15%的功率损失掉，试计算此时对流换热的表面传热系数。
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解：按牛顿冷却公式，整根换热管的平均表面换热系数为
h Atw t
其中 0.85P 0.8540.5W 34.43W
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3.自然对流换热现象的速度与温度分布特点
Tw > T∞ 思考：Tw < T∞
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4.自然对流的两种流动形态
x
①层流 ②湍流
③判别流态的特征数是Gr数， 类比于Re数，不是(GrPr)
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。
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验1
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验报告一、实验原理 可根据相似理论，空气横掠单圆管强迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示：n Nu CRe = (1)式中，努谢尔特准则数为： /Nu hD λ= (2)雷诺准则数为： /Re uD v = (3) 这里，λ为空气的导热系数， ν为空气的运动粘度,是平均温度2)/(m f w t t t =+的函数，其中w t 为管外壁温，f t 为空气温度；D 为实验管的外径，u 为空气的流速。
关键的是对流换热平均表面传热系数h 的确定。
由对流换热平均表面传热系数h 的定义：(/)w f h Qa F t t =-式中，Qa 为管外表面与周围空气之间的对流换热量，管的外表面积F DL π=，L 为横管的有效长度。
考虑到管外表面在与周围空气对流换热同时，与周围环境间存在辐射换热。
即管实际传出热量为:4480+10()()a f w f w f Q Q Q hF t t C F T T ε-=+=⨯－－其中，ε为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数240 5.67C Wm K --= 。
这里，假定环境温度即空气温度。
因此， 横管外表面对流换热平均表面传热系数就可以由下式确定：4480[()/10/ ]()w f w f h Q F C T T t t ε-=⨯－－－因此，对给定实验管，通过测量管的实际传出热量Q 、管外壁温w t 、来流空气的温度f t 就可通过实验确定管外表面与周围空气之间对流换热平均表面传热系数h 。
由式（2）和（3）通过改变气流速度或实验管直径，就可得到一系列Nu-Re 对应数据。
在数据足够多、Re 变化范围足够大的条件下，就可确定式(1)中的C 和n 的值。
二、实验数据列表一、实验结果及分析作出lg~lg ReNu拟合曲线如下拟合公式log0.5814log Re0.5748Nu=-，则得到0.58140.2662ReNu=即0.2662,0.581C n==产生偏差的原因可能是：(1)准则方程式在Re=4000~40000时的情况较为接近，而实验中有部分Re 值小于4000造成了误差；(2)管内存在阻力损失使压力测量有偏差，导致速度测量不准确；(3)管壁也不是严格的等壁温条件，在tf、tw的计算上会产生误差。
第五章5-2-2
高正阳
传热学 Heat Transfer
2. 换热的特征 边界层的成长和脱体决定 了外掠圆管换热的特征。 了外掠圆管换热的特征。 低雷诺数时， 低雷诺数时，回升点反映 了绕流脱体的起点。 了绕流脱体的起点。 高雷诺数时， 高雷诺数时，第一次回升 是层流转变成湍流的原因， 是层流转变成湍流的原因， 第二次回升约在 ϕ =140o 则是由于脱体的缘故。 则是由于脱体的缘故。
浮升力
高正阳
传热学 Heat Transfer
三、大空间自然对流换热的实验关联式
常用的关联式： 常用的关联式：
Nu = C(Gr Pr)
n
高正阳
传热学 Heat Transfer
在对流温差大小相同的情况下，在夏季与冬季， 1. 在对流温差大小相同的情况下，在夏季与冬季， 屋顶天花板内侧的对流换热是否相同？为什么？ 屋顶天花板内侧的对流换热是否相同？为什么？ 在地球上设计的一个自然对流换热实验装置， 2. 在地球上设计的一个自然对流换热实验装置，是 否同样可以在宇宙飞船上进行实验？ 否同样可以在宇宙飞船上进行实验？
高正阳
传热学 Heat Transfer
一、流体沿竖壁自然对流换热的分析
竖壁表面自然对流换热是非常典型的问题， 竖壁表面自然对流换热是非常典型的问题，对它的分 析有助于对自然对流换热的理解。 析有助于对自然对流换热的理解。 (1) 不均匀的温度场只是 在壁面附近的薄层内。 在壁面附近的薄层内。 (2) 流动状态也有层流和 湍流之分。 湍流之分。 (3) 局部表面传热系数的 变化如图所示。 变化如图所示。
1 (tw + t f ) 2
特征长度取管外径d
特征流速取管束中最窄截面处的流速 特征流速取管束中最窄截面处的流速 管束中最窄截面处的 对于排数少于10排的管束， 对于排数少于10排的管束，需要利用管排修正系 10排的管束 数修正。 数修正。εn <1 该问题也可以采用表5 该问题也可以采用表5-9和5-10给出的关联式计算。 10给出的关联式计算。 给出的关联式计算
§6-3 外掠圆管对流换热解析
建筑工程系
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2 、换热特征 边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。
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上述公式对于实验数据一般需要分段整理。
邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出 了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。
0.62 Re1/ 2 Pr1/3 Re Nu 0.3 1 2/3 1/ 4 [1 (0.4 / Pr) ] 282000
5/8 4/5
式中：定性温度为 (tw t ) / 2,
适用于 Re Pr 0.2 的情形。
Heat Transfer
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后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面 传热系数的影响直到20排以上的管子才能消失。 这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联 式，再采用管束排数的因素作为修正系数。 管束换热的关联式之一为：
传热学第五章_对流换热原理-1
Velocity = v Velocity = 0
Velocity Temperature
Boundary Boundary
Layer
Layer
HOT SURFACE, TEMP = TH
3. 热边界层厚度δt和流动边界层厚度δ的区 别与联系
(2) 边界层产生原因：
由于粘性的作用，流体与 壁面之间产生一粘滞力， 粘滞力使得靠近壁面处的 速度逐渐下降，最后使壁 面上的流体速度降为零， 流体质点在壁面上产生一 薄层。随着流体的流动， 粘滞力向内传递，形成的 薄层又阻碍邻近流体层中 微粒运动的作用，依此类 推，形成的薄层又阻碍邻 近流体层微粒运动，到一 定程度，粘滞力不再起作 用。
➢ 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来 测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y 方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速急剧 增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，普朗特 研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边界层的概 念。
普朗特在仔细观察了粘性流体流过固体表面的特性后提出了 突破性的见解。他认为，粘滞性起作用的区域仅仅局限在 靠近壁面的薄层内。在此薄层以外，由于速度梯度很小粘 滞性所造成的切应力可以略而不计，于是该区域中的流动 可以作为理想流体的无旋流动。这种在固体表面附近流体 速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层(又称速度边界 层)．图5—5示出了产生流动边界层的两种常见情形。如 图5—5a所示，从y＝o处u＝0开始，流体的速度随着离开 壁面距离y的增加而急剧增大，经过一个薄层后u增长到接 近主流速度。这个薄层即为流动边界层，其厚度视规定的 接近主流速度程度的不同而不同。通常规定达到主流速度 的99％处的距离y为流动边界层的厚度，记为δ 。
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验
什么是空气横掠单圆管时强迫对流换热实验？
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验是指空气在单圆管内垂直运动的强迫对流换热实验。
在这个实验中，热源可以是电加热、加热风或壁面加热等。
因为横掠强迫流会出现对称性，会得到空气横掠单圆管换热特性以及轴向流中壁面温度分布等相关数据，因此这是瞄准研究基于此类型流动的重要科学目标实验。
(1)测定热源及流量：在空气横掠单圆管时强迫对流换热实验前，需要先测定热源的温度和输入气体的流量，以及输出气体的流量。
(2)加热：应準确，平稳地加热，以保证不影响管壁温度梯度引起的湍流程度。
(3)样品采样：静置实验完成后，应在垂直于管壁的多个位置取样测温，取得空气在单圆管内的轴向温度分布情况。
(1)检查仪器状态：在实验前应严格检查操作的仪器状态，以免实验造成危险。
(2)测量温度：实验中注意观察和检测流循环温度，以免发生过热。
(3)确保实验样本完整：严守安全措施，确保管内液体完整，以防止外界物质对实验数据带来偏差。
(1)壁面温度分布：实验完成后，可以得到管腔内空气在单向流动时壁面温度分布规律。
(2)强迫对流换热率：可以确定不同热源给定条件下，空气强迫对流换热率参数。
(1)实验结果可为空调设备和气体热力学、流动与传热研究等提供实验数据和理论依据。
(2)尤其在气动管实验中，可以进行试验，观察分析流动、传热的结构特性。
(3)对冷暖冷却换热器的设计也有重要的参考价值。
2020年高中物理竞赛—传热学-第五章 对流换热：外部流动强制对流换热实验关联式等(共37张PPT)
第五章 对流换热
28
②对于水平空气夹层，推荐以下关联式：
Nu
0.212(Gr
Pr)1 / 4,
Gr
1 104
~
4.6 105
Nu
0.061(Gr
Pr)1/ 3,
Gr
4.6 105
式中：定性温度均为 (tw 1 tw 2 )/ 2,
长度均为 。
Re 数中的特征
对竖空气夹层，H / 的实验验证范围为
❖ 参照上图的坐标系，对动量方程进行简化。
❖ 在 x 方向， Fx g ，并略去二阶导数。
❖ 由于在薄层外 u v 0 ，从上式可推得
u u x
v
u y
g
1 dp dx
Hale Waihona Puke 2u y 2dp dx
g
第五章 对流换热
17
将此关系带入上式得
u u x
v
u y
g
(
)
2u y 2
引入体积膨胀系数 ：
35
20.比拟和相似之间有什么联系和区别? 21.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法. 22.使用定理推导准则关系式的基本方法. 23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义. 24.在有壁面换热条件时, 管内流体速度分布的变化特点. 25.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法.如何确定
常数C和n的值见下表。
第五章 对流换热
22
注：竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下
情况：
d
35
H GrH1 / 4
第五章 对流换热
23
习惯上，对于常热流边界条件下的自然对流，往往采 用下面方便的专用形式：
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0.6
：
20 ~ 90
n em
Re 102 ~ 106
N um CR n
分离点的位置、换热系数与Re的关系：
Re＜1.5 105
Re＞1.5 105
80 ~ 85
140
边界层先转变为紊流， 脱体分离点推后
Re＜10
不会出现脱体现象
了解局部对流换热系数的变 化对于确定处于高温流体中 的管子沿圆周的温度分布有 重大意义
横掠圆管局部换热系数的变化
平均换热系数
对于空气推荐分段 幂次关联式：
N um CRenm
定性温度： (tw tf ) / 2 定型尺寸：管外径 特征速度：来流速度 温度范围： tf 15.1 ~ 982℃ tw
图5-16 空气横掠圆管换热的实验结果
21 ~ 1046℃
2外掠管束换热
影响换热的因素：Re、Pr准则、管间距、管排数、排列方式等 排列方式：顺排、叉排 •顺排、叉排：第一排管的换热状 况与横掠单管相仿 。 •后排管的对流换热系数比前排高， 10排管子以后，扰动基本稳定， 换热系数不再变化 。 •一般，叉排时的换热比顺排要强， 当Re很高时 ，顺排超过叉排管束。
外掠圆管强迫对流换热
流体外掠圆管时的强迫对流换热
1外掠单管
外掠单管流动边界层的特征
dp ＜0 dx dp ＞0 dx
图5-14 流体横掠单圆管流动边界层
壁面流体压力沿程发生变化，前部递减，后部回升
u ( ) y 0 0 的点称为分离点。分离点后出现逆向流动， y 形成涡旋、涡束，破坏了正常的边界层流动
空气横掠10排以上管束的平均换热系数的实验式
N um CR
n em
定性温度：管壁面温度与流体温度的平均值 定型尺寸：管外径 Re中的流速：采用垂直于流体流动方向的最窄截面上的流速 适用范围 ： Rem 2000 ~ 40000 管排修正系数 n ：表5-3 流动方向不与管束垂直，而成 夹角时的修正系数