4.5对流传热系数关联式4.5.1影响对流传热系数α的因素1.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。一般情况下α强>α自：水的自然对流α:20～1000水的强制对流α:1000～150002.流动形态湍动程度个，层流内层厚度减薄，S,α个层流、湍流3.流体的物性p，μ，入，c,，体积膨胀系数β1
1.引起流动的原因 自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 一般情况下 强 > 自 ： 水的自然对流 ： 20～1000 水的强制对流 ： 1000～15000 3.流体的物性 ，，，cp，体积膨胀系数β 4.5.1 影响对流传热系数的因素 2.流动形态 层流、湍流 ' 湍动程度 ，层流内层厚度减薄， , , 4.5 对流传热系数关联式 1
p: p 个,R个,α 个Cp：pCp-单位体积流体的热容量，kJ /m3.℃C.pC,个, α个: ,R,α4.是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾α相变α无相变有相变传热：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。250-10000W/m2KQ:例：水强制对流，5000-15000W/m2K蒸汽冷凝，Q:2
, , ： R e 3 / . C C kJ m C P P ： − 单位体积流体的热容量， CP ， ： ，R e ， 4. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 > 无相变 2 ：250 10000 / − W m K2 ：5000 15000 / − W m K 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， 蒸汽冷凝， 2
(5)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增大形状：如管、板、管束，翅片等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置
形状：如管、板、管束，翅片等； 大小：如管径和管长等； 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）； 管或板是垂直放置还是水平放置。 （5） 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 3
4.5.2对流传热过程的量纲分析1、液体无相变时的强制对流传热过程量纲分析优点：减少实验次数；2依据：物理方程各项量纲一致；3步骤:通过理论分析和实验观察，确定相关因素；a）对流传热系数可以表示为无相变: α= f(u,l,pgβt,u,a,p,Cp)(b）确定无因次准数T的数目元1 =Φ(元2, 元3i=n-m=7-4=3（c）确定准数的形式
4.5.2 对流传热过程的量纲分析 （a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素； ( , , , , , , ) p 对流传热系数可以表示为 无相变： = f u l g t C 1、液体无相变时的强制对流传热过程 量纲分析 ① 优点：减少实验次数； ② 依据：物理方程各项量纲一致； ③ 步骤： （b）确定无因次准数π的数目 i = n − m = 7 − 4 = 3 1 = ( 2， 3） （c）确定准数的形式 4
(1)列出物理量的因次物理量因次4物理量ML/03L/602/M/e3 T因次(2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量不能包括待求的物理量不能同时选用因次相同的物理量选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次5
(1)列出物理量的因次 物理量因次 物理量 因 次 M T 3 l L 3 M L M L c p L T L 2 2 ML T 3 u (2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量 •不能包括待求的物理量 •不能同时选用因次相同的物理量 •选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。 5
选择l、入、u、u作为三个无因次准数的共同物理量(3)因次分析将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数 = [abμudα2 = 1eμ"uhp3 =liμkumcp对,而言，实际因次为：MLOTO=L(((
选择l、λ、μ、u作为三个无因次准数的共同物理量 (3)因次分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数 a b c d 1 = l u e f g h 2 = l u p i j k m 3 = l u c 对π1而言，实际因次为： ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 0 0 0 0 T L M L M T ML M L T L a b c d = 6
b+c+l=0a=a+b-c+d=0b=-1c=0-3b-c-d-3=0-b-1=0d=0αl. 元, = 12-1αNu九lupCpl=Re元2:Pr=-元3u元: Nu = f(Re,Pr)一流体无相变时强制对流时的准数关系式1
b + c +1 = 0 a + b − c + d = 0 − 3b − c − d − 3 = 0 − b −1 = 0 b = −1 c = 0 d = 0 a =1 l = l = −1 1 = Nu 2 = = Re lu Pr 3 = = c p N u = f (Re, Pr) ——流体无相变时强制对流时的准数关系式 7
2、自然对流传热过程α =f(l, , Cp’ p, u, pgβt)包括7个变量，涉及4个基本因次，oαl元1 =0(元2,元3)Nu元1元p’gβAtCpu= Pr元2=Gr元3=元2uNu = f(Gr,Pr)一自然对流传热准数关系式8
2、自然对流传热过程 f (l c g t) = ，， p，，， 包括7个变量，涉及4个基本因次， ( , ) 1 = 2 3 Nu l = = 1 Pr 2 = = c p G r l g t = = 2 3 2 3 N u = f (G r, Pr) ——自然对流传热准数关系式 8
3、准数的定义与物理意义1）努塞尔准数（Nusselt)=A209=-d1αl壁面处温度梯度dyN.=无量纲温度梯度11At元平均温度梯度1l：特征尺寸，平板_平板高度（厚度）；管一一管径或当量直径；对流传热与厚度为L的流体层内的热传导之比。反映了对流的强弱。努塞尔数越大，对流传热的传热强度也越大。它表明了固体壁面处的无因次温度梯度的大小。努赛尔数恒大于1。O
1）努塞尔准数（Nusselt） l：特征尺寸，平板—— 平板高度（厚度）； 管 —— 管径或当量直径； 3、准数的定义与物理意义 对流传热与厚度为L的流体层内的热传导之比。反映了对 流的强弱。努塞尔数越大，对流传热的传热强度也越大。它 表明了固体壁面处的无因次温度梯度的大小。 努赛尔数恒大于1。 u l N = ( ) w dt dy t l − = 平均温度梯度 壁面处温度梯度 = = 无量纲温度梯度 ( ) w dt q t dy = − = 9
2）雷诺准数（Reynold）du惯性力dup惯性力与粘性力之比。Re=粘滞力Vu雷诺数小，表示流体的粘性力起控制作用，抑制流层的扰动随着雷诺数的增大，流体中流体微团的扰动加剧，壁面处的温度梯度增大，对流传热系数增大。说明：反映流动状态对 α 的影响。3）普朗特准数（Prandtl）（运动粘度）动量扩散系数VCpuu/pP:元元（导温系数）热扩散系数aCpp10
2）雷诺准数（Reynold） 雷诺数小，表示流体的粘性力起控制作用，抑制流层的扰动， 随着雷诺数的增大，流体中流体微团的扰动加剧，壁面处的 温度梯度增大，对流传热系数增大。 du du Re = = = 惯性力 粘滞力 说明： 反映流动状态对 α 的影响。 3）普朗特准数（Prandtl） P r C P = 导温系数 热扩散系数 运动粘度 动量扩散系数 ( ) ( ) = = a / v Cp = 惯性力与粘性力之比。 10