对流传热系数的经验关联式

第3章传热3.4 对流传热系数的 经验关联式

3.4.1 影响对流传热系数的因素

3.4.2 无相变化时对流传热过程的量纲分析 3.4.3 无相变化的对流传热

3.4.4 有相变化的对流传热

3.4.1 影响对流传热系数的因素 流动形态

流体流动原因 流体物理性质

传热面形状、位置和大小 相变化

(1)流体流动状态

湍动程度 ,层流内层厚度减薄， ' , ,代价：动力消耗↑。 (2)流体流动原因 强制对流：外部机械作功， 一般流速较大， α也较大。 自然对流：由流体密度差造成的循环过程,

一般流速较小， α也较小。

(3)流体的物理性质

: , , : , Re , , 3 CP: CP 单位体积流体的热容量，kJ / m C. CP ,

: ,Re ,

(4)传热面的形状、位置和大小

壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使α增大。

(5)相变化的影响

有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，无相变传热：强制对流、自然对流，

一般地，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流， :250 10000 W / m K 蒸汽冷凝， :5000 15000 W / m 2 K2

对流传热系数分析方法 ① 解析法 ② 数学模型法 ③ 量纲分析法 ④ 实验法

3.4.2 无相变化时对流传热过程的量纲分析(1)量纲分析过程 ① ② 优点：减少实验次数； 依据：物理方程各项量纲一致；

③

步骤：:

(a)通过理论分析和实验观察，确定相关因素；

无相变： f (u, l , g t , , , , C p )

(b)构造函数形式；

Ku l c p ( g t )a b c d e f

h

(c)列出量纲指数的线性方程组(M、L、T、 ); (d)规定已知量(指数), 确定余下指数表达式； (e)整理特征数方程形式。

l lu a cP b l 3 2 g t c K( ) ( ) ( ) 2 或：N u KRe Pr Gra b c

(2)特征数的物理意义 ① 努赛尔数

l Nu

l

1

导热热阻 对流传热热阻

l:特征尺寸，平板—— 流动方向的板长； 管 —— 管径或当量直径；

说明： ②

▲

反映对流传热的强弱，包含对流传热系数；

雷诺数 R du e

惯性力 u 粘滞力 d2

u

说明： 反映流动状态对 α 的影响。

③

普朗特数

/ Pr Cp

CP

v (运动粘度)动量扩散系数 a (导温系数)热扩散系数

说明：▲ 反映流体物性对传热的影响

使用时注意： * 查取定性温度下的物性；

* 计算所用单位，SI制。

④ 格拉斯霍夫数(浮升力特征数)

Gr

g tl 3 2

2

(

lub

2 ) 2 Re b

g t:单位体积流

体浮力变化, :体积膨胀系数， C , 1/ Re b :表示自然对流的雷诺数.说明： 反映自然对流的强弱程度。

Gr / Re2 0.1

自然对流 强制对流 混合对流

Nu f (Gr , Pr )

Gr / Re2 100.1 Gr / Re2 10

N u f ( Re , Pr )N u f ( Re , Gr , Pr )

应用准数关系式应注意的问题

(1)定性温度

定性温度：决定准数中各物性的温度。 流体的平均温度t=(t1+t2)/2为定性温度；

壁面的平均温度tw为定性温度；流体和壁面的平均温度(称为膜温)tm=(t+tw)/2为定性温度。 工程上大多以流体的平均温度t=(t1+t2)/2为定性温度。 特性尺寸：量纲为1的数群Nu,Re等中所包含的传热面尺寸。 圆管内：特性尺寸取管内径；

(2)特性尺寸

非圆管内：特性尺寸取当量直径，de’=4流动截面积/传热周边

(3)注意公式的应用条件。

3.4.3 无相变化的对流传热(1)管内强制对流传热 一般关系式：

N u K Re a Pr b

流动状态不同，则 K、a、b 值不同 传热流动状态划分(区别于流体流动时规律 )

层流：Re 2300

湍流：Re 10000

过渡流： 2300 Re 10000

① 流体在圆形直管内强制湍流的对流传热系数

a) 低粘度流体

适用条件：

l / d 60

Re 10000

3 0.7 Pr 120 2 10 Pa s

定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0 说明：Re 10000 保证流体达到传热湍流；

Pr

n

流体被加热，n= 0.4 流体被冷却，n= 0.3

l / d 60 避开传热进口段，保证稳态传热。

b)

粘度较大流体0.8 0.33 e r

du 0.8 c p 0.33 0.14 0.027 ( ) ( ) ( ) d w 近似取： 流体被加热： w ) 0.14 1.05 (

N u 0.027 R P

( / w ) 0.14

流体被冷却： w ) 0.14 0.95 ( 适用条件：

Re 10000

0.7 Pr 167 00

l / d 60

定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0

c) 流体流过短管(l/d<50) 影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。计算：采用以上各式计算α,并加以校正。 d f 1 l d) 圆形弯管内的强制对流0.7

1

特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流； 结果：流体湍动程度增加，使α增加；R d

同时，流动阻力损失增加。f (1 1.77 d ) R

弯管内流体的流动