传热学-第六章-相似理论
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西交《传热学》第六章单相对流传热的关联式前言各位同学,以下是西交《传热学》第六章单相对流传热的关联式的,单相对流传热试验关联式,这个标题提醒了我们这一章的主要学习内容:单相状态,对流传热,试验,关联式。
单相是指没有相变的发生,怎么理解呢,就是在传热过程中传热的双方的状态没有变化,比如说在一块冰融化的过程中就存在状态的变化。
试验,每一个理论的产生和技术的应用都要经过研究人员在大量试验的基础上加以总结,因此试验是一种的重要的研究手段,从实验中可以推算出该项试验现象遵循的试验方程式即试验关联式。
主要介绍单相对流传热的实验结果,本章将按内部流动、外部流动、大空间自然对流及有限空间自然对流的顺序展开讨论。
为了通过有限次数的实验测定而得出具有一定通用性的换热规律,在进行实验以及整理实验数据时,都必须遵循一定的原则,即相似原理。
本章将先对相似原理进行较深入的介绍基础上,再逐一介绍各类具体的实验关联式。
一、微细尺度通道内的流动与换热及纳米流体换热简介产生背景:20世纪80年代初期由于高新科学技术的发展在机械、电子、控制与能源领域,一门新兴交叉学科-微机电系统(micro-electro-mechanical system-MEMS)迅速崛起。
这里的所谓“微”是指工作部件的特征尺度在1毫米(10-3 m)到微米(10-6 m)的尺度范围。
目前微型热交换器、微尺度作用器、微尺度控制器件、微尺度生物芯片等不少已经成为商业产品。
在这样微细尺度的通道内,流体的流动与热交换出现了许多与常规尺度通道中的流动与传热过程不同的特点(统称为尺度效应,size effects)。
微细尺度传热学的研究也成为传热学研究的一个前沿重要分支领域。
气体在微细尺度通道中流动时,气体分子的平均自由程λ与通道的特征尺度L(对圆管取为直径)之比称为Knudsen(努森)数,是表征流动区域的重要参数:KnLλ=根据Kn数大小的不同,可以将气体的流动划分为以下四个区域连续介质区(continuum region):0.001Kn≤根据Kn数大小的不同,可以将气体的流动划分为以下四个区域连续介质区(continuum region):0.001Kn≤速度滑移与温度跳跃区(velocity slip and temperature jump r egion):0.0010.1Kn<<过渡区(transition region): 0.110Kn <<自由分子区(free-molecular region): 10Kn ≥Navier -Stokes 方程与能量方程以及无速度滑移(即固体壁面上流体速度等于当地的固体表面速度)与无温度跳跃即(固体壁面上流体的温度等于当地的固体表面的温度)边界条件仅适用于Knudsen 数小于 的连续介质区;在 0.0010.1Kn <<的范围内,上述控制方程仍然适用,但必须采用速度滑移与温度跳跃的条件;在过渡区与自由分子区基于连续介质假定而导出的Navier -Stokes 方程与能量方程不再适用,对流动与传热过程的数学描述需要采用基于分子动力论的有关原理与方程。
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。
传热学相似原理的应用1. 什么是传热学相似原理传热学相似原理是传热学中的一个重要理论,它是指在相似条件下,不同的物体或系统之间的传热特性相似。
简单来说,当两个物体在传热过程中的温度分布、传热速率等关键参数相似时,我们可以利用传热学相似原理来研究其中一个物体或系统的传热性能。
这种原理在实际工程中具有重要的应用价值。
2. 传热学相似原理的应用传热学相似原理在工程领域的应用非常广泛,下面介绍几个常见的应用场景:2.1 传热设备设计在很多工程项目中,需要设计传热设备,如换热器、冷却塔等。
采用传热学相似原理可以帮助工程师快速预测传热设备的性能,并进行参数优化。
通过在实验室中制作尺寸缩小的模型,可以利用相似原理进行传热性能测试。
通过模型试验得到的数据,结合合适的相似准则,可以推算出实际尺寸的传热设备的性能。
2.2 太阳能热水器性能评估太阳能热水器是一种利用太阳能将光能转化为热能,为人们提供热水的环保设备。
对于新型太阳能热水器的设计和性能评估常常需要进行研究。
传热学相似原理可以应用于太阳能热水器的性能预测和评估。
通过制作模型,设置合适的传热参数,可以模拟太阳能热水器在实际工作条件下的传热性能,从而快速评估其性能,并进行改进。
2.3 电子设备散热设计随着电子设备的发展,电子元器件的功耗也越来越高,因此散热问题成为电子设备设计中的一个重要考虑因素。
传热学相似原理可以帮助工程师设计合适的散热系统,通过对小尺寸模型进行实验测试,得到具有相似传热特性的大尺寸电子设备的散热性能。
这样可以在设计阶段预测和优化散热性能,提高电子设备的工作效率和可靠性。
2.4 模拟地下能源储存在地下能源储存领域,如地下蓄能和地热能利用等,传热学相似原理也有着重要的应用。
通过制作地下系统的模型,可以模拟地下能源储存过程中的传热特性,并通过相似原理推算出实际尺寸系统的传热性能。
这样可以帮助工程师在设计和运营阶段预测和优化地下能源储存系统的传热性能。
读书破万卷下笔如有神第六章复习题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.Pr数,Gr数Nu数与BiNu数,.简述数有什么区别?的物理意义.910.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?读书破万卷下笔如有神相似原理与量纲分析6-13、已知:一直管内径为16cm,流体流速为1.5m/s,平均温度为10℃,换热进入充分发展阶段。
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。