知识点：流体横掠管束时的换热计算(综合训练).

知识点：流体横掠单管时的换热特点
在实际工程中常遇到流体横向流过管束时的换热过程， 在空调机组中表面式换热器的加热或冷却过程，在锅炉的省 煤器以及烟气横向冲刷锅炉对流管束的换热过程，蒸汽横向 从管外流过壳管式换热器的管束等都属此类换热的实例。下 面先就流体横向流过单管时的对流换热进行分析，流体横向 流过管束时的对流换热在下个知识点单独进行分析。 横掠单管流动边界层的特 征如图 1所示。流体绕流圆管 时，圆管的后侧出现旋涡流动 由图上可以看出，流体流过圆 管面的前半周和后半周的情况 图1 流体横掠单管时 的流动情况 完全不同。在圆管的前半周，
知识点：流体横掠单管时的换热特点
流体以层流边界层的方式与圆 管接触。圆管迎着流体流动方 向的最前端，管切线与流体流 动方向的夹角（称为冲击角） φ =00处，流速为零,边界层的 厚度为零。沿管外壁面，随着 φ 角的增大，层流边界层逐渐 增厚，在角约等于φ =820处层 流边界层达最大值，流体开始 脱离管表面，此点就是绕流分 离点，分离点的位置，受边界 层内流体流态的改变而强烈影
知识点：流体横掠单管时的换热特点
原因是由于流体的导热系数比较 低，所有温度降都发生在边界层 内，而圆管前半周的层流边界层 厚度是逐渐增加的，故换热系数 就逐渐降低。在圆管的后半周层 流边界层消失，涡流逐渐增强， 故换热系数逐渐增大。 此外圆管周围的换热情况还 与Re有关。图3 中所示为不同Re 时α φ /α 随角φ 的变化曲线。当 Re ≤5时，圆管周围几乎全被层 流边界层包围管周围换热系数较
α /α
φ
1.8 Re=1×10 1.6 1.4 0 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0 0 4
180 90
0
0
φ
30

进口区：流动和热边界层从零开始增长， 直到汇合至管子中心线。管子进口到边 界层汇合处的这段管长内的流动称为管 内流动进口区。
充分发展区：边界层汇合于管子中心线 以后的区域，即进入定型流动的区域。
入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。
如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。
气体: N u 0.02R 10.8e 4 10P0 0.4 r 1 d l 23 T T w f 0.45
R 2 e2 1 00 0 ， P 0 r 0 0 .6 0 6 .5 ， T f 0 .5 1 .5 T wFra bibliotek液体:
N u 0.01 R2 0.8e 728P0 0.4 r 1 d l 23 P Pw f rr0.11
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re umd 2200 —— 层流区
Re（220， 0104） —— 过渡区
如果流体流动的方向与管束不垂直， 也就是流体对管子的冲击角<900的情 况，在进行换热计算时要在式(5-16) 计算出的表面传热系数的基础上乘以 修正系数cβ
5-3 自然对流换热计算
自然对流：流场温度分布不均匀导致的密度不 均匀，在重力场作用下产生的流体运动过程。 自然对流换热：流体与固体壁面之间因温度不 同引起的自然对流时发生的热量交换过程。
第五章 对流换热计算

Nu f CRe f Prf
n 0.37
Prf Pr w

0.25
（1）
上式以圆管外径作为定型尺寸，而取流道最窄处的速度 最大值作为Re数中的w。 Pr ＞10时，其幂次取0.36。公式
知识点：流体横掠单管时的换热计算
流体横掠单管平均换热系数准则关联式
适用范围 0.7＜Pr＜500 Re=1～40 准则关联式

90o～80o 1.0
70o 0.97
60o 0.94

Re=103～2×105
Nu f 0.26Re f
0.6
Prf
0.325
Nu 0.23Re 0.6
0.25
Re=2×105～106
Nu f 0.076Re f
0.7
0.37 Prf Prf Pr w

0.4 0.37 Prf Nu f 0.75Re f Prf Pr w
表1
对空气或烟气的简化

0.25
Nu 0.66Re 0.4

0.25
Re=40～103
Nu f 0.51Re f
0.5
Prf
0.37
Prf Pr w
Nu 0.45Re 0.5
Nu 0.067Re 0.7
知识点：流体横掠单管时的换热计算
(1)的具体形式列于表1中。 如果流体对圆管的冲击角φ 不是900时，经实验证明，可 按冲击角φ 等于900计算α 值，然后再乘一修正系数ε φ ，该 值列于表2中。
冲击角修正系数 表2
45o 0.83 30o 0.70 15o 0.41
知识点：流体横掠单管时的换热计算

横掠圆管和非圆管对流换热的数值分析
横掠圆管和非圆管对流换热是一类典型的立式管对流传热问题，通常都可以采用数值方法来求解，比如采用有限元法、微分格式等方法。

基于有限元法的数值分析常常有以下几个步骤：首先，需要确定计算区域的参数。

其次，需要确定边界条件，以及建立有限元参数，特别是非圆管中需要使用曲面单元来建模管道内壁。

然后，需要利用有限元法流体力学和传热分析模块，结合流体介质和热质传量模型，提取流体温度场、流速场和热流密度场分布，以及管壁温度场。

最后，计算有效传热系数等换热参数，并画出温度场、流速场和热流密度场在管道内的分布趋势，以把握管道传热特性。

应用有限元法来进行横掠圆管和非圆管对流换热的数值分析不仅可以有效的模拟管道中的温度场流速场和热流密度场的分布，而且也可以估算出管内的有效传热系数，并获得管道内部换热特性，从而研究不同管子形状对流换热信息。