§6-1§6-2管内受迫对流换热剖析

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知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点PPT汇总

热进口段
热充分发展段
αx αx 0 x
图1 层流进口段与充分发展段
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点
段。流入管内的流体，由于与管壁摩擦的结果，靠近管壁的流体速度逐渐减小，但因流体的流量一定，所以通过各截面中心的流体流速逐渐增加，直至流体流动达到稳定流速分布也就不再改变了，称为发展段。入口段长度仅为10d～45d，一般取50d。计算中把长度小于50d的管道称短管，长度大于等于50d的管道称长管。在流体趋向稳定的一段，即入口段内，由于流体流动状况在不断的变化，所以换热情况也要随着发生变化。在紊流状态下，在入口段中，层流边界层的厚度从零开始不断增加，直到进入发展段为止。边界层的厚度随Re的增加而减小。流体温度沿截面的分布和速度的分布一样，在入口段也
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点
数曲线。 1.入口段的影响上述层流和紊流的流速分布规律只对流动达到稳定状态才正确。流体在刚进入管内时的流速分布是不断变化着的，流动状态是不稳定的。只有在流过一段距离以后才能达到稳定，通常称这段距离为入口
δ w
流动进口段 δt
流动充分发展段
知识点：流体在管内受迫流动时对流换热的特点
此外，在管内层流对流换热问题中，由于截面上各点温度不一致，在流体中形成了浮升力，并出现了自然对流，最后也影响了截面上的流速分布。通过以上分析可见，图2中曲线2的流动边界层厚于曲线 3 的流动边界层。因此，相同条件下液体被加热时对流换热系数要大于液体被冷却时对流换热系数，气体则相反。 3.管道弯曲的影响当流体在弯管中流动时，由于离心力的作用，流体的流动将向弯管外侧挤压，并在截面上引起附加的二次环流 (见图3)。曲率半径愈大，离心作用的影响就愈小；流体的断面平均流速越大产生的二次环流流速就越大。由于弯管中附加环流的出现，加剧了流体的扰动，结果使弯管的换热系数增

管内受迫对流流动和换热的特征

管内受迫对流流动和换热的特征
（1）层流和紊流流动区域划分
层流区：Re<2300
过渡区：2300<Re<104
旺盛紊流区：Re<104
（2）层流和紊流的速度分布特点
层流速度分布：为抛物线u/u0=0.5
紊流速度分布：u/u0=f（Re）
(3)入口段与充分发展段
流动进口段：流动边界层的厚度从0逐渐增加，当管道足够长时，边界层的厚度等于管道半径，且此厚度不再增加，流体经过的这段距离即为流动进口段。

充分发展段:边界层汇合于管道中心线，厚度不再变化起称为充分发展段。

换
（4）热边界条件有均匀璧温和均匀热流
湍流：除液态金属外，两种条件的差别不可计。

层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。

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

§6-1§6-2管内受迫对流换热

流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却时的值。
Heat Transfer
建筑工程系
The Department
of Construction Engineering
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（四）管子的几何特征 1.管长入口段的长短对管道表面传热系数产生影响。一些经验公式对管长范围有规定，引入管长修正系数修正管长对换热的影响。 2.管径在不改变流速和温度的条件下，采用小直径管能够提高表面传热系数。
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二. 管内对流换热实验关联式 1. 紊流换热
（1）实用上使用最广的是迪图斯－贝尔特公式：
Nu f 0.023Re Pr
0.8 f
n f
加热流体时：冷却流体时：
n 0.4 n 0.3
，。
式中: 定性温度采用流体平均温度径。
tf
，特征长度为管内
Heat Transfer
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其中：tf/、tf//分别为进出口断面流体的平均温度。为方便起见，一般仍将全管流体的平均温度记作tf。
建筑工程系
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（二）管流平均温度换热平均温差管内流体平均温度 ②常壁温边界条件：。 tw=Const t
1.进口段与充分发展段 1>.流动进口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此时： u=f（x,r）流动充分发展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发展。此时： r=0； u/x=0，但 u/y≠0。
充分发展段的流态判断：
Heat Transfer
2>.对于换热状态热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后，热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。热充分发展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分发展，故称为～。热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随 x是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf）将保持不变，即：

第6章-单相流体对流换热

过渡区：旺盛紊流：
Re 2300
2300 Re 10
4
Re 10
4
与外掠平板（板流）相比，
管内流动（管流）出现4个新的特征：
1. 进（入）口段、充分发展段； 2. 管内流体平均速度、平均温度； 3. 物性场的不均匀性 4. 几何特征
外掠平板边界层
1. 进（入）口段、充分发展段
Pr = 1
实验验证范围： Re 3.6 103 ～ 9.05 105 , f 均匀tw 边界实验验证范围：
Nuf 5.0 0.025Pef
Pef 100
0.8
定性温度——流体平均温度，特征长度——din
Ref Prf f 管子很，且 l / d w 3. 层流层流充分发展段对流换热的分析解结果很多。
第六章单相流体换热分析
Convection of Single Phase Fluid
主要内容
单相流体对流换热（自由运动、强制对流）
§6-1 §6-2 §6-3
管内受迫对流换热外掠圆管对流换热自然对流换热
§6-1 管内受迫对流换热（管流）
一、一般分析
有层流、紊流之分

层流：
0.45
Tf 0.6 Prf 1.5,0.5 1.5,2300 Ref 104 Tw
液体
Nu f 0.012 (Ref
0.87
280) Prf
0.4
d 2 / 3 Prf 1 ( ) l Pr w
0.11
Prf 1.5 Prf 500,0.05 20, 2300 Ref 104 Prw

单相流体对流换热及准则关联式

CCE
第6章单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
3
BEFE
6-1-1管内流动边界层 flow boundary-layer in a tube
一、流动状况分析流动的进口段
从进口处至流动边界层汇合于管中心这一段管长
(hydrodynamic entry region or developing region) Lf
qw=const Lh 0.07Re Pr d
Pr数非常大的油类介质，它们的热入口段将会很长，可达管径的数百倍，以至于对实用的换热设备来说，可能直到出口也没达到热充分发展状态（但速度分布早已达到充分发展状态了）。
◆紊流时的热进口段长度与Pr基本无关，较层流短得多，为管径的10~45倍
)r R

(
t r
)r R
tw t f
const
q hx (tw t f )
常物性流体在热充分发展段的表面传热系数保持不变
这个结论不受流态和管壁加热条件
限制
CCE
第6章单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations
Lh以后称为热充分发展段(Thermal fully developed region)
入口段充分发展段
热进口段
入口段充分发展段
0
CCE BEFE
(a)
0
(b)
管内热边界层和表面传热系数的变化（a）层流（b）紊流
一、换热进口段长度
◆常物性流体层流热进口段长度
tw=const
Lh 0.05Re Pr d

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xin

第六章
单相流体对流换热
第六章第六章
1
§6-1 管内受迫对流换热
一. 管内强制对流流动和换热的特征
1. 流动有层流和紊流之分层流：过渡区：

Re 2300
2300 Re 10000

旺盛湍流：
10000 Re
第六章 2
2.流动进口段与充分发展段
（1）进口段：流动和热边界层从零开始增长，直到汇合于管子中心线，管子进口至边界层汇合处的这段区域。充分发展段：边界层汇合于管子中心线以后
（2）脱体点：壁面流体停止向前流动，自此以后边界层出现逆向流动，形成漩涡。 Re＜10，无分离脱体现象； 5 ≤ Re＜2×105，φ =80-85°； 2×105≤Re，φ =140°；
第六章 31
（ 3 ）边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征。层流：下面两条线，一次低谷，换热差；紊流：上面四条线，两次低谷，分别为层流转变为紊流和紊流边界层脱离壁面时。
对气体被加热时，
Tf ct Tw
0.5
当气体被冷却时，
ct 1。
m
对液体
f ct w
m 0.11 m 0.25
液体受热时液体被冷却时
19
第六章
（2）采用齐德－泰特公式：
Nuf 0.027 Ref
0.8
Prf
0
第六章
6
( t / r ) r r0 t w tm

hx

常数（不随x变化）
对于常物性流体，由上式可得 hx 常数。这一结论对于管内层流和紊流、等壁温和常热流边界条件都适用。

第6章单相流体对流换热

2）管内流体平均温度

管断面流体平均温度全管长流体平均温度
定性温度
①管断面流体平均温度（按焓值计算） ② 全管长流体平均温度（由热平衡关系计算）
传热学 Heat Transfer
不同边界条件下全管长流体平均温度（常热流边界和常壁温边界）

q=const时，dtf/dx=const

从入口开始，tf呈线性变化，全管长平均温度为进出口
一、外掠单管
横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。
传热学 Heat Transfer
1 、流动边界层的形成与发展
①流体的压强大约在管的前半部递降，即dp/dx<0,而
后又回升，即dp/dx>0
②边界层内流体的动能变化与压强的变化相对应； ③脱体绕流产生衡量脱体绕流的程度：速度衡量脱体绕流的准则数：Re
传热学 Heat Transfer
第六章
单相流体对流换热
传热学 Heat Transfer
本章教学内容
6-1 管内受迫对流换热 6-2 外掠圆管对流换热 6-3 自然对流换热
传热学 Heat Transfer
§6-1 管内流体受迫对流换热
一、一般分析
受迫在管内对流换热时，应考虑管内流动及换热的 4 个特
是先用定性温度确定物性，再可确定计算式中的准则数。
f 3.15 104 N s m 2 ; Pr 1.95
t w =115℃： w 2.48 10 4 N s m 2
传热学 Heat Transfer
则 Ref um d
f
0.017 0.85 4 4.43 10 6 0.326 10

传热学课件-清华大学 (6)

§6-1 管内受迫对流换热第六章单相流体对流换热及准则关联式学习对流换热的目的：学会解决实际问题；会计算表面传热系数h大多数是由大量的实验研究确定的本章给出的具体函数形式Pr)(Re,Nu f =工程上、日常生活中有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器流动进口段：10[ : Re;05.0 ∈≈dLd L 紊流层流：∂u流动进口段： : Re;05.0 ∈≈dLd L 紊流层流：∂u热充分发展段：常物性流体在热充分发展段：h = const（1）管内流体平均速度3、管内流体平均速度及平均温度∫∫=⋅==RRm urdrrdru f u G 0022πρπρρrdr u df u dG πρρ2⋅=⋅=G —质量流量[kg/s]；V —体积流量[m 3/s]；G=ρV∫∫===Rm R m urdrRu urdr R u G 02022 ;2πρπρt∆(管内对流换热进口段的局部Nusselt数2、流体热物性变化对换热的影响对于液体：主要是粘性随温度而变化流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却加热时的值↓⇒↑η t 对于气体：除了粘性，还有密度和热导率等↑↓↑⇒↑λρη，，t液体：1=C R+—R螺旋管曲率半径4、管壁粗糙度的影响粗糙管：铸造管、冷拔管等湍流：粗糙度∆>层流底层厚度δ时: 换热增强层流：影响不大粗糙度∆<层流底层厚度δ时: 影响不大If water at 300K flowsthrough a 3cm -diameterpipe at 5m/s, the thicknessof the viscous sublayer isonly about 20mµ有时利用粗糙表面强化换热—强化表面（1）迪图斯-玻尔特（Dittus-Boelter ）关联式：⎩⎨⎧<>==)( 3.0)( 4.0 ;Pr Re 023.08.0f w f w m f f f t t t t m Nu 由于没有考虑变物性，只适用于壁面和流体的温差不很大的情况：Petukhov 等人的研究表明：上式只在有限的范围内适用。

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（1）（2）式（1）中的h是未知量，而式（2）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2）中的为固体导热系数而此式为流体导热系数。
h ty
y
t
0
(
t ) h(t w t f ) h
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Heat Transfer
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2. 热边界层与换热特征分析 (5)入口段的热边界层薄，表面传热系数高。因此，注意在选择准则方程计算时要注意该方程适用的管长条件。
层流
湍流
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3、对流换热边界层微分方程组是否适用于粘性很大的油和Pr数很小的液体金属？为什么？
Heat Transfer
解：对于粘度很大的油类，Re数很低，速度边界 u 层厚度与x为同一数量级，因而动量微分方程中 x 与 u 为同一量级，不可忽略，且此时由于δx~x y 速度u和v为同一量级，y方向的动量微分方程不能忽略。对于液态金属，Pr很小，速度边界层厚度与温度边界层厚度相比，速度边界层厚度远远小于温度边界 t 厚度，在边界层内 t t ，因而能量方程中 x 不 x y 可忽略。因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大的油和Pr数很小的液态金属。
of Construction Engineering
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0 2、由对流换热微分方程知，该式 ty 中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性? h
y
t
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tw t x tw t f
0
将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有：
tw t t t r w f
t r R tr w t f
r R
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），上式变为： t t t r r R h Const w tw t f r tw t f
Logo
这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。
Heat Transfer
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1、式（1）与导热问题的第三类边界条件式（2）有什么区别？ t t （ 1 ） ( ) h(t t ) （2） h 0 h
ty
y
w
f
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建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !
Heat Transfer

传热学
建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !
§6 单相对流换热
Chapter6 The Heat Transfer of Single-phase Convection
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（二）管流平均温度换热平均温差 1.特征速度及定性温度
特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。

2 2
2 2
2
2
2
2
2
2
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§6-1 管内受迫对流换热
学习对流换热的目的：
会计算表面传热系数 h, 解决工程实际问题。
各类热力管道（热水及蒸汽管道等）、换热器……
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一、定性分析（基本概念）
r R
上式表明：常物性流体在热充分发展段换热系数h保持不变。这是热充分发展段的重要特性。
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2. 热边界层与换热特征分析流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于Pr。 (1)当 Pr＞1时，流动进口段比热进口段短。 (2)当 Pr＜l 时，情形正相反。 (3)热进口段长度 L（紊流：L/d ≈ 10-45 ）：层流：在常壁温条件下 L/d ≈ 0.05RePr ；在常热流条件下 L/d ≈ 0.07RePr 。 (4)在Pr＝1情况下，当流动达到充分发展时，换热也进入热充分发展段。在进口处，边界层最薄，h x具有最高值，随后降低。在层流情况下，h x趋于不变值的距离较长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，h x将有一些回升，并迅速趋于不变值。
1.进口段与充分发展段 1>.流动进口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此时： u=f（x,r）流动充分发展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发展。此时： r=0； u/x=0，但 u/y≠0。
充分发展段的流态判断：
Heat Transfer
2>.对于换热状态热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后，热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。热充分发展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分发展，故称为～。热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随x 是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf）将保持不变，即：