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1、第十章 对流换热 对流换热是流体与所流经的固体表面间的热量传递现象。学习目的1.理解对流换热的影响因素，提出传热强化措施2.计算表面换热系数h110-1 概述 1.牛顿冷却公式=A h(twtf)q=h(twtf)hh整个固体表面的平均整个固体表面的平均表面传热系数表面传热系数;t tww固体表面的平均温度固体表面的平均温度;t tff 流体温度，对于外部绕流，流体温度，对于外部绕流，ttff 取远离壁面的流体取远离壁面的流体主流温度；对于内部流动，主流温度；对于内部流动，ttf f 取流体的平均温度取流体的平均温度。22.对流换热的影响因素 对对流流换换热热是是流流体体的的导导热热和和对对流
2、流两两种种基基本本传传热热方方式式共共同同作作用用的的结结果果，因因此此，凡凡是是影影响响流流体体导导热热和和对对流流的的因因素都将对对流换热产生影响。主要有以下五个方面：素都将对对流换热产生影响。主要有以下五个方面：(1)(1)流动的起因：流动的起因：影响流体的速度分布与温度分布。影响流体的速度分布与温度分布。强迫对流换热强迫对流换热自然对流换热自然对流换热 一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。3(2)(2)流动的状态流动的状态层流层流湍流湍流：流速缓慢
3、，流体分层地平行于壁面方：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流动方向上的热量传递向流动，垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。主要靠分子扩散（即导热）。：流流体体内内存存在在强强烈烈的的脉脉动动和和旋旋涡涡，使使各各部部分分流流体体之之间间迅迅速速混混合合，因因此此湍湍流流对对流流换换热热要要比比层层流流对对流流换换热热强强烈烈，表表面面传传热热系数大。系数大。(3)(3)流体有无相变流体有无相变 沸腾换热沸腾换热凝结换热凝结换热4(4)(4)流体的物理性质流体的物理性质 11）热热导导率率，W/(mW/(mK)K)，愈愈大大，流流体体导导热热热热阻阻愈愈小，对流换热
4、愈强烈；小，对流换热愈强烈；2 2）密度密度，kg/mkg/m33 33）比比热热容容cc，J/(kgJ/(kgK)K)。cc反反映映单单位位体体积积流流体体热热容容量量的的大大小小，其其数数值值愈愈大大，通通过过对对流流所所转转移移的的热热量量愈愈多多，对流换热愈强烈；对流换热愈强烈；44）动动力力粘粘度度，PaPass；运运动动粘粘度度/，mm22/s/s。流流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热；5 5 5）体胀系数体胀系数VV，KK11。对于理想气体，对于理想气体，pv=RTpv=RT，代入上式，可得，代入上式，可得VV=1/=1/
5、TT。定性温度定性温度 体体胀胀系系数数影影响响重重力力场场中中的的流流体体因因密密度度差差而而产产生生的的浮浮升力的大小，因此影响自然对流换热。升力的大小，因此影响自然对流换热。对对于于同同一一种种不不可可压压缩缩牛牛顿顿流流体体，其其物物性性参参数数的的数数值值主主要要随随温温度度而而变变化化。用用来来确确定定物物性性参参数数数数值值的的温温度度。称称为为定定性性温温度度。在在分分析析计计算算对对流流换换热热时时，定定性性温温度度的的取法取决于对流换热的类型。取法取决于对流换热的类型。VV6(5)(5)换热表面的几何因素换热表面的几何因素 换换热热表表面面的的几几何何形形状状、尺尺寸寸、相
6、相对对位位置置以以及及表表面面粗粗糙糙度度等等几几何何因因素素将将影影响响流流体体的的流流动动状状态态，因因此此影影响响流流体体的的速速度度分分布布和和温温度度分分布布，对对对对流换热产生影响。流换热产生影响。影影响响对对流流换换热热的的因因素素很很多多，表表面面传传热热系系数数是是很很多多变变量的函数，量的函数，特征长度（定型尺寸）特征长度（定型尺寸）几何因素几何因素73.对流换热的主要研究方法分析法分析法 只能解决简单问题只能解决简单问题数值法数值法 计算传热学计算传热学 不讲不讲试验法试验法 大量实验相似理论准则关系式大量实验相似理论准则关系式 比拟法比拟法 不符合现代发展趋势不符合现代
7、发展趋势 理理论论分分析析、数数值值计计算算和和实实验验研研究究相相结结合合是是目目前前被被广广泛泛采采用用的的解解决决复复杂杂对对流流换换热问题的主要研究方式。热问题的主要研究方式。810-2 对流换热的数学描述1.1.对流换热微分方程组及其单值性条件对流换热微分方程组及其单值性条件（11）对流换热微分方程）对流换热微分方程假设：假设：(a)(a)流流体体为为连连续续性性介介质质。当当流流体体的的分分子子平平均均自自由由行行程程 与与换换热热壁壁面面的的特特征征长长度度ll相相比比非非常常小小，一一般般克克努努森数森数 时，流体可近似为连续性介质。时，流体可近似为连续性介质。9(b)(b)流
8、体的物性参数为常数，不随温度变化流体的物性参数为常数，不随温度变化。(c)(c)流流体体为为不不可可压压缩缩性性流流体体。通通常常流流速速低低于于四四分分之之一一声声速的流体可以近似为不可压缩性流体速的流体可以近似为不可压缩性流体。(d)(d)流流体体为为牛牛顿顿流流体体，即即切切向向应应力力与与应应变变之之间间的的关关系系为为线性，遵循牛顿公式线性，遵循牛顿公式：(e)(e)流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。(f)(f)二维对流换热。二维对流换热。紧紧靠靠壁壁面面处处流流体体静静止止，热量传递只能靠导热，热量传递只能靠导热，流体导热系数10按照牛顿
9、冷却公式按照牛顿冷却公式 如如果果热热流流密密度度、表表面面传传热热系系数数、温温度度梯梯度度及及温温差差都取整个壁面的平均值，则有都取整个壁面的平均值，则有 上上面面两两式式建建立立了了对对流流换换热热表表面面传传热热系系数数与与温温度度场场之之间间的的关关系系。而而流流体体的的温温度度场场又又和和速速度度场场密密切切相相关关，所所以以对对流流换换热热的的数数学学模模型型应应该该是是包包括括描描写写速速度度场场和和温温度场的微分方程。度场的微分方程。qx1111）连续性微分方程）连续性微分方程（质量守恒）（质量守恒）dxxdyy0微元体微元体22）动量微分方程）动量微分方程（动量守恒）（动量
10、守恒）xx方方向向:yy方方向向:惯性力惯性力粘性力粘性力体积力体积力纳纳维维埃埃(N.(N.Navier)Navier)-斯斯托托克斯克斯(G.G.Stokes)(G.G.Stokes)方程方程 压力差压力差1233）能量微分方程）能量微分方程（能量守恒）（能量守恒）dxxdyy0 单单位位时时间间由由导导热热进进入入微微元元体体的的净净热热量量和和由由对对流流进进入入微微元元体体的的净净热热量量之之和和等等于于微微元元体体热热力力学学能能的增加，的增加，常常物物性性、无无内内热热源源、不不可可压压缩缩牛牛顿顿流体对流换热的能量微分方程式流体对流换热的能量微分方程式。若若u=v=u=v=00
11、导热微分方程式导热微分方程式导导热热微微分分方方程程式式实实质质上上就就是是内内部部无无宏观运动物体的能量微分方程式宏观运动物体的能量微分方程式。13 常常物物性性、无无内内热热源源、不不可可压压缩缩牛牛顿顿流流体体二二维维对对流流换热微分方程组换热微分方程组：44个个微微分分方方程程含含有有44个个未未知知量量(uu、vv、pp、tt)，方方程程组组封封闭闭。原原则则上上，方方程程组组对对于于满满足足上上述述假假定定条条件件的的对对流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。流换热（强迫、自然、层流、湍流换热）都适用。14 对对流流换换热热微微分分方方程程组组和和单单值值性性条条件件构构成成
12、了了对对一一个个具具体体对对流流换换热热过过程程的的完完整整的的数数学学描描述述。但但由由于于这这些些微微分分方方程程非非常常复复杂杂，尤尤其其是是动动量量微微分分方方程程的的高高度度非非线线性性，使使方方程组的分析求解非常困难。程组的分析求解非常困难。19041904年年，德德国国科科学学家家普普朗朗特特(L.L.PrandtlPrandtl)在在大大量量实实验验观观察察的的基基础础上上提提出出了了著著名名的的边边界界层层概概念念，使使微微分分方方程组得以简化，使其分析求解成为可能。程组得以简化，使其分析求解成为可能。152.边界层理论与对流换热微分方程组的简化(1)(1)边界层概念边界层概
13、念 1)1)流动边界层流动边界层 速速度度发发生生明明显显变变化的流体薄层。化的流体薄层。流动边界层厚度流动边界层厚度:流场的划分流场的划分:主流区：主流区：yy边界层区边界层区:理想流体理想流体速度梯度存在于粘性力的作用区。速度梯度存在于粘性力的作用区。边界层的流态：边界层的流态：层流边界层层流边界层、过渡区过渡区、湍流边界层湍流边界层 湍流核心 湍流核心162)2)热边界层（温度边界层）热边界层（温度边界层）边边界界层层从从层层流流开开始始向向湍湍流流过过渡渡的的距距离离。其其大大小小取取决决于于流流体体的的物物性性、固固体体壁壁面面的的粗粗糙糙度度等等几几何何因因素素以以及及来来流流的的
14、稳稳定定度度，由由实实验验确确定定的的临临界界雷雷诺诺数数ReRecc给定。给定。临界距离临界距离xxc c：对于流体外掠平板的流动对于流体外掠平板的流动,一般情况下，取一般情况下，取 温度变化较大的流体层温度变化较大的流体层 热边界层厚度热边界层厚度t t:边界层的传热特性：边界层的传热特性：在在层层流流边边界界层层内内垂垂直直于于壁壁面面方方向向上上的的热热量量传传递递主主要要依依靠靠导导热热。湍湍流流边边界界层层的的主主要要热热阻阻为为层流底层层流底层的导热热阻。的导热热阻。17局部表面传热系数的变化趋势：局部表面传热系数的变化趋势：流动边界层厚度流动边界层厚度 与与热边界层厚度热边界层
15、厚度tt的比较的比较：两两种种边边界界层层厚厚度度的的相相对对大大小小取取决决于于流流体体运运动动粘粘度度 与与热扩散率热扩散率aa的相对大小。令的相对大小。令 普朗特数普朗特数对于层流边界层对于层流边界层:PrPr 11；PrPr 11 一般液体一般液体:Pr=Pr=0.640000.64000；气体：；气体：Pr=Pr=。对于湍流边界层对于湍流边界层:18综上所述，边界层具有以下特征：(a(a)(b)(b)流流场场划划分分为为边边界界层层区区和和主主流流区区。流流动动边边界界层层内内存存在在较较大大的的速速度度梯梯度度，是是发发生生动动量量扩扩散散（即即粘粘性性力力作作用用）的的主主要要区
16、区域域。主主流流区区的的流流体体可可近近似似为为理理想想流流体体；热热边边界界层层内内存存在在较较大大的的温温度度梯梯度度，是是发发生生热热量量扩扩散散的的主主要要区域，热边界层之外温度梯度可以忽略；区域，热边界层之外温度梯度可以忽略；(c)(c)根根据据流流动动状状态态，边边界界层层分分为为层层流流边边界界层层和和湍湍流流边边界界层层。湍湍流流边边界界层层分分为为层层流流底底层层、缓缓冲冲层层与与湍湍流流核核心心三三层层结结构构。层层流流底底层层内内的的速速度度梯梯度度和和温温度度梯梯度度远远大大于于湍流核心；湍流核心；(d)(d)在在层层流流边边界界层层与与层层流流底底层层内内，垂垂直直于
17、于壁壁面面方方向向上上的的热热量量传传递递主主要要靠靠导导热热。湍湍流流边边界界层层的的主主要要热热阻阻在在层层流底层。流底层。19(2)(2)对流换热微分方程组的简化对流换热微分方程组的简化 简简化化方方法法：根根据据边边界界层层的的特特点点，分分析析对对流流换换热热微微分分方程中各项的数量级，忽略高阶小量。方程中各项的数量级，忽略高阶小量。对于体积力可以忽略的稳态强迫对流换热对于体积力可以忽略的稳态强迫对流换热 比较比较x x 和和yy方向的动量微分方程方向的动量微分方程20对流换热微分方程组简化为对流换热微分方程组简化为21 简简化化后后的的方方程程组组只只有有33个个方方程程，但但含含
18、有有44个个未未知知量量，方方程程组组不不封封闭闭。由由于于忽忽略略了了yy方方向向的的压压力力变变化化，使使边边界界层层内内压压力力沿沿xx方方向向变变化化与与主主流流区区相相同同，可可由由主主流流区区理理想想流流体的体的伯努利方程伯努利方程确定确定：2210-3 外掠等壁温平板层流换热分析解简介 1.1.对流换热特征数关联式对流换热特征数关联式 特特征征数数是是由由一一些些物物理理量量组组成成的的量量纲纲一一（无无量量纲纲）的的数数。对对流流换换热热的的解解可可以以表表示示成成特特征征数数函函数数的的形形式式，称称为为特征数关联式特征数关联式。通通过过对对流流换换热热微微分分方方程程的的无
19、无量量纲纲化化可可以以导导出出与与对对流流换热有关的特征数。换热有关的特征数。23 NuNu称称为为平平均均努努塞塞尔尔数数，等等于于壁壁面面法法线线方方向向上上的的平平均无量纲温度梯度，大小反映平均对流换热的强弱。均无量纲温度梯度，大小反映平均对流换热的强弱。引进下列无量纲变量：引进下列无量纲变量：对流换热表面传热系数与温度场之间的关系式对流换热表面传热系数与温度场之间的关系式 令令24 对对于于常常物物性性、无无内内热热源源、不不可可压压缩缩牛牛顿顿流流体体平平行行外外纵掠平板稳态对流换热，微分方程组为纵掠平板稳态对流换热，微分方程组为无量纲化无量纲化 式中式中 称为称为雷诺数雷诺数。由无
20、量纲方程组可以看出：由无量纲方程组可以看出：再由再由 Nu Nu 待定特征数待定特征数 ReRe、PrPr已定特征数已定特征数 25作业l 307页l 思考题4 何谓 流动边界层和热边界层，它们的厚度是如何规定的？13 表面上看Bi 数和Nu 数的表达式相同，其差别是什么？262 外掠平板层流换热分析结果 可可见见，流流体体平平行行外外掠掠平平板板强强迫迫对对流流换换热热的的解解可可以以表表示成式特征数关联式的形式，即示成式特征数关联式的形式，即 特特征征数数关关联联式式中中变变量量个个数数大大为为减减少少，更更突突出出地地反反映映相相关关物理量之间的依赖关系及其对对流换热的综合影响物理量之间
21、的依赖关系及其对对流换热的综合影响。对比对比 对对于于常常物物性性、无无内内热热源源、不不可可压压缩缩牛牛顿顿流流体体纵纵掠掠等等壁温壁温平板平板层流换热层流换热：(1)(1)速度场速度场 1)1)流动边界层厚度流动边界层厚度27(2)(2)温度场温度场 2)2)摩擦系数摩擦系数由速度分布求出局部粘性切应力由速度分布求出局部粘性切应力为为局部摩擦系数局部摩擦系数。平均平均摩擦系数：摩擦系数：1)1)热边界层厚度热边界层厚度 对于对于Pr=Pr=0.6150.615的流体，的流体，28 2)2)特征数关联式特征数关联式 对于对于PrPr的流体掠过的流体掠过等壁温等壁温平板层流换热平板层流换热 N
22、uNuxx是是以以xx为为特特征征长长度度的的局部努塞尔数局部努塞尔数 平均表面传热系数平均表面传热系数hh 为为 平均努塞尔数平均努塞尔数:注注意意：上上述述关关系系式式仅仅适适用用于于PrPr的的流流体体外外掠掠等等壁壁温温平板层流换热平板层流换热，定性温度定性温度为边界层的算术平均温度为边界层的算术平均温度 29 对对于于PrPr的的流流体体掠掠过过等等热热流流平平板板的的层层流流换换热热，局局部努塞尔数部努塞尔数为为当当ReRexx、PrPr相相同同时时，常常热热流流情情况况下下的的局局部部努努塞塞尔尔数数要要比比等壁温等壁温情况大情况大36%36%左右。左右。对比对比 在在常常热热流
23、流情情况况下下，ttww是是变化的，变化的，。平均温差定义为平均温差定义为 平均努塞尔数平均努塞尔数:偏差偏差 30l 101l 102作业：例题 10-13110-4 对流换热的实验研究方法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。这里对相似原理略注意的是：实验结果给出的方程是准则方程式，而且通常是幂函数的形式32对流换热常用准则数及其物理意义1.雷诺数。它表示惯性力和粘性力的2.相对大小3.普朗特数 表示动量扩散能力与能量4.扩散能力的相当大小5.5.努塞尔数努塞尔数 等于壁面法线方向上的等于壁面法线方向上的 6.6.平均无量纲温度梯度，平均无量纲温度梯度，大小大小 7
24、.7.反映平均对流换热的强弱。反映平均对流换热的强弱。33 对对于于工工程程上上常常见见的的无无相相变变单单相相流流体体强强迫迫对对流流换换热热，其其特征数关联式一般写成幂函数的形式：特征数关联式一般写成幂函数的形式：式中，式中，CC、nn及及mm为待定常数，由实验确定。为待定常数，由实验确定。对于气体的强迫对流换热，对于气体的强迫对流换热，PrPr基本上等于常数，基本上等于常数，(a)(a)特征长度特征长度ll和和定性温度定性温度的选择；的选择；(b)(b)流速流速uu的测量；的测量；(c)(c)表面传热系数表面传热系数hh的测量：的测量：需要解决以下几个问题：需要解决以下几个问题：34 对
25、于一般流体的强迫对流换热特征数关联式对于一般流体的强迫对流换热特征数关联式 mm的的数数值值通通常常直直接接采采用用前前人人通通过过理理论论分分析析或或实实验验研研究究获获得得的的数数据据。例例如如：对对于于层层流流，取取mm=1/3=1/3；对对于于湍湍流流，取取mm或或其其它它数数值值。CC和和nn的的数数值值用用同同一一种种流流体体在在不不同同的的ReRe下下进行实验确定。进行实验确定。（22）特征数关联式的适用范围特征数关联式的适用范围 从从一一个个物物理理现现象象所所获获得得的的特特征征数数关关联联式式适适用用于于与与其其相似的所有物理现象。相似的所有物理现象。由由于于单单相相流流体
26、体强强迫迫对对流流换换热热特特征征数数关关联联式式是是在在一一定定的的ReRe、PrPr变变化化范范围围内内通通过过实实验验获获得得的的，并并且且关关系系式式中中的的常常数数大大小小还还与与特特征征长长度度、定定性性温温度度的的选选择择有有关关，所所以以每每一一个个对对流流换换热热特特征征数数关关联联式式只只适适用用于于一一定定的的ReRe、PrPr范范围围及确定的特征长度与定性温度。及确定的特征长度与定性温度。3510-5 单相流体对流换热特征数关联式 重重点点介介绍绍以以下下22种种典典型型的的单单相相流流体体对对流流换换热热过过程程及及其特征数关联式：其特征数关联式：（11）管内强迫对流
27、换热；）管内强迫对流换热；（22）外掠壁面强迫对流换热；）外掠壁面强迫对流换热；熟熟悉悉它它们们的的特特点点及及影影响响因因素素，并并且且掌掌握握利利用用特特征征数数关联式进行对流换热计算的方法。关联式进行对流换热计算的方法。361.1.管内强迫对流换热管内强迫对流换热(1)(1)管内强迫对流换热的特点及影响因素管内强迫对流换热的特点及影响因素 1)1)流态流态对于工业和日常生活中常用的光滑管道对于工业和日常生活中常用的光滑管道 层流层流（uum m 为平均流速）为平均流速）层流到湍流的过渡阶段层流到湍流的过渡阶段 旺盛湍流旺盛湍流 37 2)2)进口段与充分发展段进口段与充分发展段 a.a.
28、流动进口段与充分发展段流动进口段与充分发展段 对对于于管管内内等等温温层层流流，流流动动充充分分发发展展段段具有以下特征：具有以下特征：(a)(a)沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零；沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零；(b)(b)圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；(c)(c)沿流动方向的压力梯度不变，阻力系数沿流动方向的压力梯度不变，阻力系数f f 为常数为常数 ll管长；管长；dd管内径管内径 38 b.b.热进口段与热充分发展段热进口段与热充分发展段 热充分发展段的特征：热充分发展段的特征：分分别别为为管管壁壁温温度度与流体截面平均温度。与流
29、体截面平均温度。在壁面处，在壁面处，常数（不随常数（不随xx变化）变化）对对于于常常物物性性流流体体，由由上上式式可可得得 常常数数。这这一一结结论论对对于于等壁温和常热流边界条件都适用等壁温和常热流边界条件都适用39 热进口段的局部表面传热系数的变化热进口段的局部表面传热系数的变化 进进口口段段边边界界层层沿沿xx方方向向由由薄薄变变厚厚，hhxx由由小小变变大大，对对流流换热逐渐减弱。换热逐渐减弱。对于管内层流，对于管内层流，热热进口段：进口段：流动进口段：流动进口段：进口段长度：进口段长度：由由于于进进口口段段的的局局部部表表面面传传热热系系数数较较大大，所所以以对对于于短短管管内内的的
30、对对流流换换热热，需需要要考考虑虑进进口口段段的的影影响响。对对于于管管内内湍湍流换热，只要流换热，只要 l/d l/d 6060，就可忽略，就可忽略进口段的影响。进口段的影响。40 3)3)对流换热过程中管壁及管内流体温度的变化对流换热过程中管壁及管内流体温度的变化 一一般般情情况况下下，管管壁壁温温度度和和流流体体温温度度都都沿沿流流动动方方向向发发生变化，变化规律与边界条件有关。生变化，变化规律与边界条件有关。常热流边界条件：常热流边界条件：qqxx常常数数，流流体体截截面面平平均均温度温度ttmm沿流动方向线性变化。沿流动方向线性变化。根据根据 热进口段：热进口段：热热充充分分发发展展
31、段段：hhxx常常数数，ttx x 常常数数，壁壁面面温温度度ttww和和ttmm都沿流动方向线性变化。都沿流动方向线性变化。41等壁温边界条件：等壁温边界条件：ttww=常数常数 分分析析结结果果表表明明，温温差差ttxx沿沿xx方方向向按按指指数数函函数数规规律律变变化化，ttmm也也按按同同样样的的指指数数函函数数规规律律变变化。化。无无论论对对于于常常热热流流还还是是等等壁壁温温边边界界条条件件，全全管管的的平平均均换换热热温差可按温差可按对数平均温差对数平均温差计算，计算，如果进口温差与出口温差相差不大，如果进口温差与出口温差相差不大，结果与上式偏差小于结果与上式偏差小于4%4%。4
32、2 4)4)物性场不均匀的影响物性场不均匀的影响 换换热热时时流流体体温温度度场场不不均均匀匀，会会引引起起物物性性场场的的不不均均匀匀。其其中中粘粘度度随随温温度度的的变变化化最最大大。粘粘度度场场的的不不均均匀会影响速度场，因此影响对流换热。匀会影响速度场，因此影响对流换热。43 5)5)管道弯曲的影响管道弯曲的影响 管管道道弯弯曲曲，离离心心力力的的作作用用会会在在流流体体内内产产生生二二次次环环流流，增增加加了了扰扰动动，使使对对流流换换热热得得到到强强化化。弯弯管管的的曲率半径越小，流速越大，二次环流的影响越大。曲率半径越小，流速越大，二次环流的影响越大。上上述述影影响响因因素素在在
33、进进行行管管内内对对流换热计算时需要加以考虑。流换热计算时需要加以考虑。44(2)(2)管内强迫对流换热特征数关联式管内强迫对流换热特征数关联式 1)1)层流换热层流换热 常常物物性性流流体体在在光光滑滑管管道道内内充充分分发发展展的的层层流流换换热热的的理理论分析结果论分析结果(没考虑自然对流影响没考虑自然对流影响)：45 常物性流体管内充分发展的层流换热具有以下特点：常物性流体管内充分发展的层流换热具有以下特点：(a)(a)NuNu的数值为常数，大小与的数值为常数，大小与ReRe无关；无关；(b)(b)对对于于同同一一种种截截面面的的管管道道，常常热热流流边边界界条条件件下下的的NuNu比
34、等壁温边界条件高比等壁温边界条件高20%20%左右。左右。对对于于长长管管，可可以以利利用用表表中中的的数数值值进进行行计计算算。对对于于短短管管，进进口口段段的的影影响响不不能能忽忽略略，可可用用下下式式计计算算等等壁壁温温管管内内层流换热的平均努塞尔数层流换热的平均努塞尔数：适用条件：适用条件：下 下角 角标 标 f f表 表示 示定 定性 性温 温度 度为 为流 流体 体的 的平均温度 平均温度t tf f 上 上式 式没 没考 考虑 虑自 自然对流影响。然对流影响。46 2)2)湍流换热湍流换热 对对于于流流体体与与管管壁壁温温度度相相差差不不大大的的情情况况（气气体体：tt5050；
35、水；水:tt3030；油；油:tt1010）适用条件：适用条件：对于流体与管壁温度相差较大的情况对于流体与管壁温度相差较大的情况适用条件：适用条件：以以上上两两个个公公式式对对常常热热流流和和等等壁壁温温边边界界条条件件都都适适用用，可可用用于于一一般般光光滑滑管管道道内内强强迫迫对对流流换换热热的的工工程程计计算算。实实验验数数据的偏差较大，达据的偏差较大，达25%25%。47 格尼林斯基格尼林斯基(Gnilinski)(Gnilinski)公式公式（19761976）适用条件：适用条件：阻力系数：阻力系数：物性场不均匀的物性场不均匀的修正系数修正系数：气体气体液体液体 将将格格尼尼林林斯斯
36、基基公公式式分分别别用用于于气气体体和和液液体体，可可以以得得到下面进一步简化的公式：到下面进一步简化的公式：48 格尼林斯基公式格尼林斯基公式：气体气体液体液体适用条件：适用条件：适用条件：适用条件：格格尼尼林林斯斯基基公公式式不不仅仅适适用用于于旺旺盛盛湍湍流流换换热热，也也适适用用于从层流到湍流之间的过渡流换热。于从层流到湍流之间的过渡流换热。492.外掠壁面强迫对流换热 对对于于工工业业上上常常用用的的铸铸造造管管以以及及为为强强化化传传热热加加工工的的内内螺螺纹纹管管等等，其其湍湍流流对对流流换换热热要要比比一一般般光光滑滑管管道道强强，通通常常采用动量传递与热量传递类比关系式进行计
37、算：采用动量传递与热量传递类比关系式进行计算：斯坦顿数斯坦顿数阻力系数阻力系数f f 数值可查阅有关工程手册或流体力学文献。数值可查阅有关工程手册或流体力学文献。分分别别介介绍绍工工程程上上常常见见的的流流体体外外掠掠平平板板、横横掠掠单单管管与与管束的对流换热。管束的对流换热。(1)(1)外掠平板外掠平板 对对于于层层流流换换热热，理理论论分分析析和和实实验验结结果果非非常常吻吻合合，可可直接采用前面理论分析所得的特征数关联式进行计算。直接采用前面理论分析所得的特征数关联式进行计算。1)1)层流换热层流换热50 等壁温平板的层流换热：等壁温平板的层流换热：常热流平板的层流换热：常热流平板的层
38、流换热：适用条件适用条件：从从平平板板前前沿沿(xx=0=0)就开始换热。就开始换热。2)2)湍流换热湍流换热等壁温平板：等壁温平板：常热流平板：常热流平板：适用条件适用条件：常常热热流流平平板板湍湍流流边边界界层层内内的的局局部部努努塞塞尔尔数数比比等等壁壁温情况高约温情况高约4%4%。51 对对于于由由层层流流边边界界层层过过渡渡到到湍湍流流边边界界层层的的整整个个平平板板，平均表面传热系数可按层流段和湍流段分别积分平均平均表面传热系数可按层流段和湍流段分别积分平均 对于等壁温平板对于等壁温平板 适用条件适用条件：注意：注意：对对于于流流体体外外掠掠平平板板的的强强迫迫对对流流换换热热，牛
39、牛顿顿冷冷却却公公式式 中中的的ttff为为边边界界层层之之外外的的流流体体温温度度tt，上上述述关关联联式式中中物物性性参参数数的定性温度为边界层的算术平均温度的定性温度为边界层的算术平均温度,即即52(2)(2)横掠单管横掠单管 流流动动状状态态取取决决于于雷雷诺诺数数ReRe的的大小大小：uu为来流速度；为来流速度；d d 为管外径。为管外径。53 实实验验表表明明，如如果果ReReRe55，则则流流体体在在绕绕流流圆圆柱柱体体时时会会发发生生边边界界层层脱脱体体现现象象，形形成成旋旋涡涡。这这是是由由于于粘粘性性流流体体流流过过圆柱体时流速和压力的变化造成的。圆柱体时流速和压力的变化造
40、成的。脱体点的位置取决于脱体点的位置取决于ReRe的大小：的大小：边界层为层流，脱体点在边界层为层流，脱体点在；边边界界层层先先从从层层流流转转变变为为湍湍流流，脱脱体体点点向向后后推推移到移到54 局局部部努努塞塞尔尔数数NuNu随随角角度度 的变化曲线的变化曲线 平均局部努塞尔特数平均局部努塞尔特数适用条件适用条件：定性温度定性温度：PrPrww的的定定性性温温度度为为ttww，其其它物性的定性温度为它物性的定性温度为tt.。PrPr10,10,m=m=;PrPr10,10,m=m=。式式中中CC和和nn的的数数值值列列于于表表101022。55如如果果，对对流流换换热热将将减减弱弱。当当
41、 时，时，(3)(3)横掠管束横掠管束56 对对于于流流体体外外掠掠管管束束的的对对流流换换热热，计计算算管管束束平平均均表表面面传热系数的关联式为传热系数的关联式为 PrPrww采采用用管管束束平平均均壁壁面面温温度度下下的的数数值值，其其它物性的定性温度为管束进出口流体的平均温度它物性的定性温度为管束进出口流体的平均温度ttff.。适用条件适用条件：定性温度定性温度：ReReff中中的的流流速速采采用用管管束束最最窄窄流流通通截截面面处处的的平平均均流流速速。常常数数CC和和mm的的值值列列于于表表10-310-3中中。nn为为管管排排数数的的修修正正系系数数，其数值列于表其数值列于表10
42、-410-4中。中。冲击角的修正冲击角的修正：如如果果，对对流流换换热热将将减减弱弱，可在上式的右边乘以修正系数可在上式的右边乘以修正系数。57l 109作业：例题10-3 58第十章小结 重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（11）对流换热的影响因素；对流换热的影响因素；（22）边边界界层层概概念念及及其其特特征征，对对求求解解对对流流换换热热问问题题的的意义；意义；（33）对流换热问题解的形式对流换热问题解的形式特征数关联式；特征数关联式；（44）NuNu、ReRe、PrPr表达式及其物理意义；表达式及其物理意义；59（55）单单相相流流体体管管内内强强迫迫对对流流、外外掠掠壁壁面面换换热热的的特特点点及其影响因素；及其影响因素；（66）会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。60