当前课程知识点：传热学 > 第六章 > 6.4外部流动强制对流换热实验关联式 > Video
大家好 这堂课我们讲一下
外部流动强制对流
换热实验关联式
那么什么是外部流动呢
外部流动是指换热壁面上的流动
边界层与热边界层能自由的发展
不会受到邻近通道
壁面存在的限制 因此
在外部流动中 存在一个
边界层外的区域 在那里
无论是速度梯度还是温度梯度
都可以忽略 下面我们先讲一下
横掠单管换热实验关联式
所谓横掠单管 就是流体
沿着垂直于管子轴线方向
流过管子表面 流体横掠
单管流动 除了具有
边界层特征外
还要发生扰流脱流
而产生回流涡旋和涡束
流体在一个平板通道内绕掠圆管
通道的高度足够大的话
圆管表面上的边界层
可以自由的发展
但当流体流过圆管所在的位置时
由于流动截面的缩小 流速增加
压力降低 而在后半部分由于
流动截面的增加 压力又回升
因此在边界层内 流体要靠
本身动量克服压力增长
而向前流动 速度分布趋于平缓
近壁的流体层由于动量不大
在克服上升的压力时
显得越来越困难 最后其
壁面处的速度梯度变为零
随后产生与原流动方向
相反的回流 这一转折点
成为绕流脱体的起点
或称为分离点 从此点起边界层
内缘脱离壁面 所以我们
称之为托体 托体起点
位置取决于雷诺数
当雷诺数小于10时不出现脱体
当雷诺数大于10小于等于
1.5×10的5次幂时 边界层为层流
托体将发生在φ等于80到85度之间
而当雷诺数大于1.5×10的5次幂时
边界层在托体前以转变为湍流
托体发生推后到φ等于140度
那么边界层的成长和托体
决定了外掠圆管的换热特征
这幅图是恒定热流壁面处局部
努塞尔数随着角度φ的变化
这些曲线在0到80度之间
随着角度的增加 而递降
主要是由于层流边界层不断
增厚的缘故 在低雷诺数时
回升点反映了绕流脱体的起点
这是由于脱体区的扰动
强化了换热 在高雷诺数时
第一次回升是由于转变成
湍流的原因 而第二次回升约在
φ等于140度则是由于脱体的缘故
那么对于空气烟气以及液体而言
我们主要采用分段幂次的关联式
其表达式如该式所示
用它来计算流体横掠圆管的
平均表面传热系数 其中系数C和
幂指数n可以通过该表查出
其中定性温度为壁面温度和
流体主流区温度的平均值
特征长度是管子外径
雷诺数的特征流速为来流速度
它的适用范围也要注意
在该温度范围内可以使用
其他温度范围不再适用
对于气体横掠非圆形截面的柱体
或管道的对流换热也采用
上式进行计算 那么它的系数C和
指数n具体的值如下表所示
那么它的应用范围受到雷诺数
一个范围的影响 其中要注意
在计算雷诺数和努塞尔数时
它使用的特征长度是图表中
给出的几何尺寸 丘吉尔与朋斯登
对流体横向外掠单管提出了
以下在整个实验范围内
都能适用的准则式 如该式所示
那么它的定性温度也是
算出平均温度 要注意
而且它的使用范围会有
一个小的界定
雷诺数和普朗特数要大于
0.2的情形 大家在使用时
一定要注意 下面再简单
介绍一下流体 外热球体的
换热实验关联式 如该式所示
式中它的定性温度为来流
温度t∞ 这个一定要注意
它的定性温度的取值
还有特征长度是球体的直径
它的适用范围如这两式所示
下面再讲一下横掠管束
换热的实验关联式
外掠管束换热在各种换热器
和换热设备中最为常见
通常管子有叉排和顺排
两种排列方式 流体冲刷
叉排和顺排管束的景象
是不一样的 在叉排时
流体在管间交替收缩
和扩张的弯曲通道中流动
比顺排时在管间走廊通道的
流动扰动更为剧烈
所以叉排时的换热要比瞬排时强
但是同时也要注意
叉排管束的阻力要大于
顺排管束时的阻力
而且对于需要冲刷清洗的管束
顺排有着易于清洗的优点
所以我们在选择叉排和顺排时
要进行权衡利弊 那么影响
管束换热的因素 除了雷诺数和
普朗特数之外 还有叉排或顺排
就是排列方式
还有管间距和管束排数的
我们来具体看一下
通过研究发现
后排管束前排管尾流的扰动作用
对平均传热系数的影响
直到10排管以上的管子才能消失
那么在这种情况下
我们怎么求平均表面传热系数
首先我们要先得到
或者给初步考虑排数
影响的关联式 然后再加上
由于管束排数影响的修正系数
然后再加上由于管束排数
影响的修正系数 那么
气体横掠10排以上管束的
实验关联式 我们可以
写成如下形式 其中定性温度是
平均温度 然后特征长度
是管的外径 雷诺数的流速
采用的是整个管束中
最窄截面处的流速
适用范围如该式所示
其中系数C和指数m可以
由下表获得 我们要注意的是
S2是平行于流动方向的截距
而S1是垂直于流动方向的
一个截距 然后通过
查询截距和管径之间的比值
然后得到相应的C值和m值
而对于少于10排的管束
可以在平均表面传热系数上
乘以一个修正系数 δn
那么这里又给出了
管排修正系数δn的取值
那么从第1排到第10排的
取值都可以看到
在使用过程中 我们直接
找到相应的数值进行
计算就可以 茹卡乌斯卡斯
对流体外流管束 就是
管束大于16排的换热
给出了一个在很宽的普朗特数
范围内的适用的公式
那么对于顺排的管束来说
根据不同的雷诺数使用范围
它给出了相应的实验关联式
其中最主要的区别就是
在雷诺数前面的系数和
雷诺数的指数 其他
后两项我们看都是一样的
都是相同的
对于叉排管束而言
也是给出了不同雷诺数
范围内的实验关联式
我们在使用的时候
找出相应的雷诺数应用范围
就可以直接使用了
在上面的式子中
定性温度都是管束
进出口流体的平均温度
然后壁面温度下的普朗特数
是按照管束的平均壁温进行确定
同样 雷诺数也是取管束中
最小截面的平均流速
特征长度为管子的外径
我们要注意它的普朗特数
使用范围在0.6和500之间
而对于排数小于16的管束来说
可以在上式基础上再乘以
修正系数δn 这个表给出了
相应的修正系数 我们可以
进行相应的查询
从第1排到第15排都可以获得
在这里强调一下
使用实验关联式
一定要注意它的使用范围
好 以上就是这次课的全部内容
谢谢大家
-1.1传热学的研究内容及其应用
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-1.2热量传递的三种基本方式
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-第一章--1.2热量传递的三种基本方式
-1.3传热过程与传热热阻
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-第一章--1.3传热过程与传热热阻
-2.1导热基本定律
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-2.2热导率的概念
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-第二章--2.2热导率的概念
-2.3导热微分方程
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-第二章--2.3导热微分方程
-2.4导热微分方程单值条件
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-第二章--2.4导热微分方程单值条件
-2.5平板稳态导热问题
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-第二章--2.5平板稳态导热问题
-2.6圆筒壁的稳态导热问题
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-第二章--2.6圆筒壁的稳态导热问题
-2.7球壳稳态导热
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-第二章--2.7球壳稳态导热
-3.1集总参数法-I
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-3.2集总参数法-II
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-第三章--3.2集总参数法-II
-4.1稳态导热解-I
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-4.2稳态导热解-II
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-4.3非稳态导热解
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-第四章--4.3非稳态导热解
-5.1对流传热概说
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-第五章--5.1对流传热概说
-5.2对流传热问题的数学描写
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-第五章--5.2对流传热问题的数学描写
-5.3.1流动边界层与热边界层
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-第五章--5.3.1流动边界层与热边界层
-5.3.2二维稳态边界层型对流传热问题的数学描述
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-第五章--5.3.2二维稳态边界层型对流传热问题的数学描述
-6.1相似原理
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-6.2量纲分析及相似原理的应用
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-第六章--6.2量纲分析及相似原理的应用
-6.3.1管槽内强制对流流动和换热的特点
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-第六章--6.3.1管槽内强制对流流动和换热的特点
-6.3.2管槽内湍流强制对流换热实验关联式
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-第六章--6.3.2管槽内湍流强制对流换热实验关联式
-6.3.3管槽内层流与过渡流动强制对流换热实验关联式
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-6.4外部流动强制对流换热实验关联式
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-第六章--6.4外部流动强制对流换热实验关联式
-6.5.1大空间与有限空间自然对流传热
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-第六章--6.5.1大空间与有限空间自然对流传热
-6.5.2大空间与有限空间自然对流传热的实验关联式
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-6.6射流冲击传热的实验关联式
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-第六章--6.6射流冲击传热的实验关联式
-7.1凝结换热及影响因素-I
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-第七章--7.1凝结换热及影响因素-I
-7.2沸腾换热及影响因素-II
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-第七章--7.2沸腾换热及影响因素-II
-8.1热辐射基本定律
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-第八章--8.1热辐射基本定律
-8.2实际物体辐射特性
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-第八章--8.2实际物体辐射特性
-9.1-角系数
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-第九章--9.1-角系数
-9.2-多表面间的辐射热量-净热量法
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-第九章--9.2-多表面间的辐射热量-净热量法
-9.3多表面间的辐射热量-网络图法-
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-第九章--9.3多表面间的辐射热量-网络图法-
-10.1换热器的类型
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-第十章--10.1换热器的类型
-10.2换热器对数平均温差的计算
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-第十章--10.2换热器对数平均温差的计算
-10.3换热器的热计算：1平均温差法
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-10.4换热器的热计算：2效能-传热单元数法
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