工程传热学第5章-对流换热分析.ppt

应用相似原理指导实验安排及试验数据整理时，个别实验得出的结果已经上升到代表整个相似组的地位，从而使试验次数大为减少，而结果却有一定通用性（代表了该相似组）。 例空气（ Pr＝0.7）在管内的强制对流换热的试验结果： 5.6.3 使用特征方程时应注意的问题： （1）特征长度应该按准则式规定的方式选取 特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；取对于流动和换热有显著影响的几何尺度。 如：管内流动换热取直径d 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动时取当量直径作为特征尺度 特征速度：Re数中的流体速度 流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度 管内流动：取截面上的平均速度 流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度 （2）特征速度应该按准则式规定的方式计算 （3）定性温度应按该准则式规定的方式选取 常用的选取方式有： ①通道内部流动取进出口截面的平均值 ②外部流动取边界层外的流体温度或这一温度与壁面温度的平均值。 相似特征数中所包含的物性参数，如： ?、?、Pr等，往往取决于温度。 定性温度：计算流体物性时所采用的温度。 在对流换热特征数关联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如： （4）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以外 参数范围主要有： Re数范围； Pr数范围； 几何参数范围。 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式 5.6.4 对实验关联式的正确认识 应用每个实验公式所造成的计算误差（不确定度），常常可达20%甚至是25%。对于一般的工程计算，这样的不确定度是可以接收的。当需要做精确的计算时，可以设法选用范围较窄，针对所需要情形整理的专门的关联式。 5-9 自然对流换热及实验关联式 例如：暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。 自然对流产生的原因：不均匀温度场造成了不均匀密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。 一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。 在各种对流换热方式中，自然对流换热的热流密度最低，但安全、经济、无噪音。 设板温高于流体的温度。板附近的流体被加热因而密度降低(与远处未受影响的流体相比)，向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层。 5.9.1 自然对流换热现象的特点 1、流动边界层中的速度与温度分布 自然对流边界层中的速度分布与强制流动时有原则的区别。壁面上粘滞力造成的无滑移条件依然存在。同时自然对流的主流是静止的，因此在边界层的某个位置，必定存在—个速度的局部极值。就是说，自然对流边界层内速度剖面呈单驼峰形状。 温度分布曲线与强制流动时相似，呈单调变化。 波尔豪森分析解与施密特－贝克曼实测结果 竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比 2、层流与湍流 流动特征 在壁的下部，流动刚开始形成，是有规则的层流。若壁面足够高，则上部流动转变为湍流。 采用光学方法可揭示流动景象。 层流边界层随着厚度的增加，局部换热系数将逐渐降低； 当边界层内层流向湍流转变时局部换热系数 hx 趋于增大。 研究表明，在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时， hx 将保持不变而与壁的高度无关。 换热特征 层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。 5.9.2 自然对流换热的控制方程与相似特征数 1、自然对流换热的控制方程 从对流换热微分方程组出发，可得到自然对流换热的准则方程式 带入上式得 引入体胀系数 在薄层外 采用相似分析方法，以 及 分别作为流速、长度及过余温度的标尺，得 改写原方程 令 式中第一个组合量 是雷诺数，第二个组合量可改写为（与雷诺数相乘）： 进一步化简可得 其中 格拉晓夫数 Gr称为格拉晓夫数，在物理上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。 Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。 若对自然对流的能量方程做类似推导，可得出另外一个无量纲准则，称为瑞利数。 自然对流换热准则方程式为 5.9.3 大空间自然对流换热的实验关联式 1、大空间与有限空间自然对流换热 自然对流换热可分成大空间和有限空间两类。 大空间自然对流：流体的冷却和加热过程互不影响，边界层不受干扰。 有限空间自然对流：边界层的发展受到干扰，或流动受到限制。 工程中广泛使用的是下面的关联式： 2. 均匀壁温条件下的大空间自然对流 式中：定性温度采用 Gr数中的 为 与 之差 对于符合理想气体性质的气体， 特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。 从理论上讲，4个方程配上相应的边界条件，可以求解流体的u、v、p、t等4个未知量。但是，由于它强烈的非线性性质(尽管已经用