山西能源学院教案 授课班级 授课时间 计2学时 课题（章节 及内容) 6.3内部流动强制对流换热实验关联式 1.了解管内强迫流动边界层演变的基本特点，了解对流换热的特 点和影响因素： 教学目的 和要求 2.掌握管内流体平均速度与平均温度的计算方法： 3.掌握管内对流换热的实验关联式选用原则和计算方法： 4.掌握管内对流换热的实验关联式的修正方法： 重点 管内流动时表面传热系数的变化规律，管内流体平均温度计 难点 算公式，管内对流换热的实验关联式。 教学内容： 教学进程 1.管内进口段与充分发展段，管内热进口段与热充分发展段，管 (含课堂 教学内容、 内流体温度变化机理及其计算，管内对流换热的其它影响因素。 教学方法、 2.常用的管内强迫流动准则公式，对流换热的各种影响因素及修 辅助手段等) 正方法，换热计算的基本方法。 教学方法：讲授与练习、启发讨论、诱导式、归纳总结法。 作业布置 6-18、6-27 主要 1.杨世铭陶文铨，《传热学》（第四版），高等教育出版社，2006. 参考资料 2.章熙民、任泽霈等，《传热学》，中国建筑工业出版社，2014. 课后自我 在课堂教学中穿插一些生活实例.用力知学知识进行解释.使 总结分析 学生从根本上清楚原因，会提高学生的学习兴趣
1 山西能源学院教案 授课班级 授课时间 计 2 学时 课题（章节 及内容） 6.3 内部流动强制对流换热实验关联式 教学目的 和要求 1．了解管内强迫流动边界层演变的基本特点，了解对流换热的特 点和影响因素； 2．掌握管内流体平均速度与平均温度的计算方法； 3．掌握管内对流换热的实验关联式选用原则和计算方法； 4．掌握管内对流换热的实验关联式的修正方法； 重 点 难 点 管内流动时表面传热系数的变化规律，管内流体平均温度计 算公式，管内对流换热的实验关联式。 教学进程 （含课堂 教学内容、 教学方法、 辅助手段等） 教学内容： 1.管内进口段与充分发展段，管内热进口段与热充分发展段，管 内流体温度变化机理及其计算，管内对流换热的其它影响因素。 2.常用的管内强迫流动准则公式，对流换热的各种影响因素及修 正方法，换热计算的基本方法。 教学方法：讲授与练习、启发讨论、诱导式、归纳总结法。 作业布置 6-18、6-27 主 要 参考资料 1.杨世铭 陶文铨，《传热学》（第四版），高等教育出版社，2006． 2.章熙民、任泽霈等，《传热学》，中国建筑工业出版社，2014． 课后自我 总结分析 在课堂教学中穿插一些生活实例.用力知学知识进行解释.使 学生从根本上清楚原因，会提高学生的学习兴趣
山西能源学院教案 6.3内部流动强制对流换热实验关联式 一.管槽内强制对流流动和换热的特 征边界层的发展受到限制 1.流动有层流和湍流之分。 层流：Re<2300 过渡区：2300<Re<10000 旺盛湍流：10000≤Re 2.入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度：1/d≈0.05RePr 湍流时：1/d≈60 入口段充分发展段 入口段充分发展段 一(0~x的平均值) h(0x的平均值) 1.0 r/d xld 层流 湍流 充分发展段的特点 流动充分发展段：流体径向速度分量为0：轴向速度不再沿流向改变。 热充分发展段：tf及tw与管内任意点的温度t组成的无量纲温度随管长保 持不变。 3.热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。 入口段充分发限段 .(x (r) -t=cons 图518均匀热流与均匀壁温条件下流体温度及 壁面温度沿主流方向的变化
2 山西能源学院教案 6.3 内部流动强制对流换热实验关联式 一. 管槽内强制对流流动和换热的特 征边界层的发展受到限制 1. 流动有层流和湍流之分。 层流：Re 2300 过渡区：2300 Re 10000 旺盛湍流：10000 Re 2. 入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度：l / d 0.05 Re Pr 湍流时：l / d 60 层流 湍流 充分发展段的特点 流动充分发展段：流体径向速度分量为 0；轴向速度不再沿流向改变。 热充分发展段：tf 及 tw 与管内任意点的温度 t 组成的无量纲温度随管长保 持不变。 3. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显
常热流边界条件下： d立=2g =const dx pcouR 故，常热流边界条件下，全管长的平均温度可取为进出口断面流体平均温度 的算术平均值 4=(6,+)/2 在热充分发展段有： diy dt =const dxdx 故，常热流边界条件下，全管长的流体与管壁间的对流换热传热温差，可取 为进出口温度差的算术平均值 △=(ai+△i)/2 常壁温边界条件下： d,_2hk。-t) dl。-_2hd d pcpuR (t-t) pcpuR 故，常壁温边界条件下，流体与壁面间的温度差将沿管长按对数曲线规律变 化。进一步推导，可得全管长流体与壁面间的平均温度差： 6-t-6-)r-△r tw-ty -t 47 二. 管槽内湍流强制对流传热关联式 1.实用上使用最广的是迪贝斯一贝尔特公式： Nu=0.023 Re8 Pr 加热流体时n=0.4,冷却流体时n=0.3。 式中定性温度采用流体平均温度t。,特征长度为 管内径 实验验证范围：Ree=104~1.2×10,Pr。=0.7~120,1/d≥60。 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 (1)变物性影响的修正 实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。 一般在关联式中引进乘数：/n,少或(Pr,/Pr,)》”,来考虑不均匀物性场对 换热的影响。 3
3 常热流边界条件下： 故，常热流边界条件下，全管长的平均温度可取为进出口断面流体平均温度 的算术平均值 ' " 2 f f f t t t 在热充分发展段有： 故，常热流边界条件下，全管长的流体与管壁间的对流换热传热温差，可取 为进出口温度差的算术平均值 ' " t t t 2 常壁温边界条件下： 故，常壁温边界条件下，流体与壁面间的温度差将沿管长按对数曲线规律变 化。进一步推导，可得全管长流体与壁面间的平均温度差： 二. 管槽内湍流强制对流传热关联式 1.实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式： 0.8 0.023 Re Pr n f f f Nu 加热流体时n 0.4，冷却流体时n 0.3。 式中定性温度采用流体平均温度 f t ，特征长度为 管内径。 实验验证范围： 4 5 Re 10 ~ 1.2 10 , f Pr 0.7 ~ 120, f l / d 60。 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 （1）变物性影响的修正 实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。 一般在关联式中引进乘数( / ) 或（Pr / Pr ) n n f w f w ，来考虑不均匀物性场对 换热的影响
333333W 图69换热时管 内速度分布的畸变 1一等温流：2一冷却液 体或加热气体；3一加 热液体或冷却气体 大温差情形，可采用下列任何一式计算。 迪贝斯一贝尔特修正公式，n=0.4 u=0.023Re98Prc, 对气体被加热时， 0.5 c, 当气体被冷却时， C4=1 对液体，冷却或加热时 m =0.11 C.= n, m=0.25 2.入口段 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入口，有以下入口效 应修正系数： 0. =1+ d 3.螺线管 二次环流 戴面上速 度分布
4 大温差情形，可采用下列任何一式计算。 迪贝斯－贝尔特修正公式，n=0.4 0.8 0.023 Re Pr n f f f t Nu c 对气体被加热时， 当气体被冷却时， 1 t c 对液体，冷却或加热时 2. 入口段 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入口，有以下入口效 应修正系数： 0.7 1 l d c l 3. 螺线管
强化了换热。对此有螺线管修正系数： 对于气体 C,=1+10. 3 对于液体 C,=1+1.77 R 三、管内层流换热关联式 表5-3不同截面形状的管槽内层流充分发展换热的Nu数 Nu=hdd 截面形状 均匀热流 均匀壁温 (R=兰)P 正三角形 3.11 2.47 53 正方形 3.61 2.98 57 正六边形 4.00 3.34 60 4.36 3.66 64 名=2 a 4.12 3.39 62 长方形 b 表5-3（续） Nu =hd /A 截面形状 均匀热流 均匀壁温 e(R=世） 4.79 3.96 69 5.33 4.44 73 6.49 5.60 82 8.23 7.54 96 5
5 强化了换热。对此有螺线管修正系数： 对于气体 3 1 10.3 r d c R 对于液体 1 1.77 r d c R 三、管内层流换热关联式
表5-4环形空间内层流充分发展对流换热的Nu数 (一侧壁面绝热，另一侧壁面等温) 内外径之比d/d。 内壁a, 外壁u。 3.66 0.05 17.46 4.06 0.10 11.56 4.11 0.25 7.37 4.23 0.50 5.74 4.43 1.00 4.86 4.86 定性温度为流体平均温度t。(n,按壁温t,确定)，管内径为特征长度，管子 处于均匀壁温。 实验验证范围为： Pre=0.48~16700, =0.0044~9.75, 1. 、1/3 、0.14 11d ≥2. 6
6 定性温度为流体平均温度 f t （w 按壁温 w t 确定），管内径为特征长度，管子 处于均匀壁温。 实验验证范围为： Pr 0.48 ~ 16700, f f 0.0044 ~ 9.75， w 。 1/3 0.14 Re Pr 2 / f f f w l d