HeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity第7章强制对流换热7–1外部流动强制对流换热局部Nusselt数Nux=f1(x*,Rex,Pr)平均Nusselt数Nu=f2(ReL,Pr)实验关联式Nu=CReLmPrnHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity流体温度通常用定性温度来表示平均对流换热系数传热量2sfTTT01LxhhdxL()ssQhATTHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity平行流体外掠平板x处的雷诺数为ReμxxxvvvHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity临界雷诺数5crcrRe510μxv1/21/30.332RePrxxxhxNuk流体外掠平板,x处的局部Nu数:层流:湍流:0.81/3Nu0.0296RePrxxxhxk570.6Pr60510Re10x(Pr0.6)HeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity整个平板的平均Nusselt数:层流:湍流:0.51/30.664RePrLhLk0.81/30.037RePrLhLNuk5Re510L570.6Pr60510Re10LHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity,laminar,tubulentcrcrxLxxxhhdxhdxL01整个平板的平均换热系数整个平板的平均Nusselt数:0.81/30.037Re871PrLhLNuk7510Re10560Pr6.0LHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity金属流体:小Prandtl数在热边界层流体速度为定值且等于主区流速。1/2Nu0.565RePrxxPr0.05对于全部Pr数:1/31/22/31/40.3387PrReNu[1(0.0468/Pr)]xxxhxLHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity局部Nusselt数(热流密度一定)层流:湍流:0.51/3Nu0.453RePrxx0.81/3Nu0.0308RePrxxHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity例6-1丹佛,科罗拉多州(海拔1610m),当地气压83.4kPa.在此压力下且温度为20°C流速为8m/s的气流外掠面积为1.5m6m,温度为134°C的平板(如图).试确定平板的换热率(a)当来流平行于6m长的一侧(b)当来流平行于1.5m长的一侧。Patm=83.4kPa(a)(b)AirHeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversity解:热源表面的强制对流换热,换热率的确定分为两种情况。假设1存在稳定的工况。2临界雷诺数Recr=5105。3辐射作用可以忽略。4来流气体为理想气体。物性理想气体的k,,Cp,和Pr与压力无关,但和则与密度和压力成反比.来流的定性温度为Tf=(Ts+T)/2=(140+20)/2=80C,1atm大气压(见表A–15)HeatTransfer7-1BeijingJiaotongUniversityk=0.02953W/mCPr=0.7154@1atm=2.097105m2/s丹佛的大气压力为P=(83.4kPa)/(101.325kPa/atm)=0.823atm.动力粘性系数为=@1atm/P=(2.097105m2/s)/0.823=2.548105m2/s分析:(a)当来流平行于平板较长的一侧,且知长为6m,所以,平板末端的雷诺数为6528m/s6mRe=1.884102.54810m/sLvLvHeatTransferBeijingJiaotongUniversity大于临界雷诺数。因此,需综合考虑层流和湍流,得出整个平板的平均Nu数为=[0.037(1.884×106)0.8871]0.71541/3=2687然后=13.2W/m2°CAs=wL=(1.5m)(6m)=9m2=(13.2W/m2°C)(9m2)(140-20)°C=1.43104W0.81/30.037Re871PrLhLNuk26876mC0.02953W/mNuLkhssQhATTHeatTransferBeijingJiaotongUniversity(b)当来流沿平板较短的一侧,L=1.5m5528m/s1.5mRe=4.71102.54810m/sLvLv0.51/30.664RePr408LhLNuk20.02953W/mCNu408=8.03W/mC1.5mkhL=8670WssQhATTHeatTransferBeijingJiaotongUniversity讨论来流方向对表面的对流换热产生重要影响当来流沿平板中较长的一侧流过时平板的换热率比来流沿平板较短的一侧流过时的换热率增加了65%。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity来流横掠圆柱体及球体Re数vDvRe来流横掠圆柱体及球体的临界雷诺数值为Recr≈2105层流:Re2×105湍流:Re2×105同样是外部流动,流体外掠平板时的临界雷诺数要稍大一些。HeatTransferBeijingJiaotongUniversityHeatTransferBeijingJiaotongUniversity停滞点:在此点流体完全静止,压力最大。沿流体流动方向流体速度递增,压力递减。低自由来流速度(Re4):流体紧贴圆柱壁面,上下两侧的分流会有秩序的在圆柱的背面汇合。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity当边界层为层流时,脱体大约发生在80(以停滞点为起点),当边界层为湍流时,脱体大约发生在140。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity较高流速下:流体在前半部分紧贴着圆柱壁面;当流体接近圆柱顶部时,由于流体速度较大而使得流体不能再紧贴着圆柱壁面。边界层在圆柱壁面产生分离,在圆柱的后面形成一个尾迹区。。边界层产生分离的这一点称为:分离点。在尾迹区,流体的流动是由随机的一些涡流组成,压力较停滞点处的压力低很多。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity1.流体在停滞点有着较高的Nuθ数(θ=0°)2.由于层流边界层变厚,Nuθ数随θ的增大而减小。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity3.Re=70,000~101,300,为层流,Nuθθ≈80°处达到最低,即在分离点处。随后Nuθ数将由于流体在分离区的剧烈扰动随θ的增大而增大。4.Re=140,000~219,000,为湍流,流体掠过圆柱时Nuθ数有两个最小值。Nuθ数在θ≈90°出陡然增加是因为层流向湍流的过渡。而Nuθ数随后的降低是因为边界层的变厚。Nuθ在θ≈140°处再次达到最小,此处为湍流的分离点,随后由于湍流尾迹区的扰动Nuθ数随θ的增大而增大。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity整个壁面的平均换热系数:5/48/54/13/23/12/1cyl200,28Re1Pr/4.01PrRe62.03.0khDNu在RePr0.2的情况下.定性温度为:2/TTTsfHeatTransferBeijingJiaotongUniversity流体外掠球体,Whitaker关联式:4/14.03/22/1cylPrRe06.0Re4.02skhDNu当3.5≤Re≤80,000and0.7≤Pr≤380.流体外掠圆柱,平均Nu数:当n=1/3,通过实验得到的参数C和m的取值见表所有流体的物性都是基于定型温度。nmCkhDPrReNucylHeatTransferBeijingJiaotongUniversity流体横掠圆柱的平均Nu数:cylNuRePrmnhDCkCross-sectionofthecylinderFluidRangeofReNusseltnumberCircleGasorliquid0.4–44–4040–40004000–40,00040,000–400,000Nu=0.989Re0.330Pr1/3Nu=0.911Re0.385Pr1/3Nu=0.683Re0.466Pr1/3Nu=0.193Re0.618Pr1/3Nu=0.027Re0.805Pr1/3SquareGas5000–100,000Nu=0.102Re0.675Pr1/3Square(tilted45)Gas5000–100,000Nu=0.246Re0.588Pr1/3HexagonGas5000–100,000Nu=0.153Re0.638Pr1/3Hexagon(tilted45)Gas5000–19,50019,500–100,000Nu=0.160Re0.638Pr1/3Nu=0.0385Re0.782Pr1/3VerticalplateGas4000–15,000Nu=0.228Re0.731Pr1/3EllipseGas2500–15,000Nu=0.248Re0.612Pr1/3HeatTransferBeijingJiaotongUniversity例7–2强制对流冷却钢球一个直径为25-cm的不锈钢球(=8055kg/m3,Cp=480J/kgC)从温度为300C的烤箱里取出,放在空气压力为1atm,温度为25C,流速为3m/s的环境里,钢球的表面温度最终降低为200C。试确定这一冷却过程的平均对流换热系数及冷却需要的时间。HeatTransferBeijingJiaotongUniversity空气在此平均表面温度下的动力粘性系数为µs=µ@250C=2.76105kg/ms.自由来流温度为of25C,压力为1atm(见表A-15)k=0.02551W/mC=1.562105m2/s=1.849105kg/msPr=0.7296雷诺数:4523m/s0.25mRe4.802101.56210m/sDvvHeatTransferBeijingJiaotongUniversity1/41/22/30.41/451/22/30.4445μ20.4Re0.06RePrμ1.8491020.44.802100.064.802100.72962.7610135shDNukNu数2o20.02551W/mCNu(135)0.25m=13.8W/mCkhD平均对流换热系数HeatTransferBeijingJiaotongUniversity平均换热率:As=D2=(0.25m)2=0.1963m2Qave=hAs(Ts,aveT)=(13.8W/m2C)(0.1963m2)(25025)C=610W钢球能量变化的过程就是钢球表面温度由300C降到200C的过程。Qtotal=mCp(T2T1)=(65.9kg)(480J/kgC)(300200)C=3,163,000J33311m=V=ρπ(8055kg/m)π(0.25m).66Dkg659HeatTransferBeijingJiao
本文标题:传热学_7-1.
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