第6章单相对流传热的实验关联式

试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题:(1)变量太多§6.1相似原理及量纲分析),,,,,,,,(lcttvfhpfw1问题的提出A实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）B实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？相似原理将回答上述两个问题物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。Pr)(Re,fNu特征数方程：无量纲量之间的函数关系2相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系3物理现象相似的特性同名特征数对应相等；各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：•同名的已定特征数相等•单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式——解决了实验中实验数据如何整理的问题因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？它们之间的函数关系如何？可以在相似原理的指导下采用模化试验——解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题4物理现象相似的条件§6.2相似原理的应用–相似理论只是指出了一个复杂物理过程的众多物理量之间的函数关系可以用一个准则函数式来表示，而具体的函数形式则需要通过实验才能确定。大多数情况下，对流换热的这些函数关系习惯于表示成幂函数形式，如Nu=CRenPrmNu=C(GrPr)n–其中常数C、m、n由实验确定。•定型尺寸——相似准则中表示几何特征的尺寸，如Re、Gr、Nu中的l和d。一般是–(1)流体沿平壁流动取流动方向平壁的长度。沿竖壁作自然流动时取竖壁高度。–(2)流体绕流圆管或圆柱时，取圆管或圆柱的外径。–(3)壁流体在管内流动取圆管内径。对于非圆形截面的管道则取当量直径，即–de=4F/U•式中F为管道的流通截面积；U为被流体润湿的周长定性温度和定型尺寸（特征尺寸）(1)流体平均温度Tf。对于管内流动，常取Tf=(Tf1+Tf2)/2，Tf1和Tf2分别表示进出口截面上流体的平均温度。–(2)边界层流体的平均温度Tm。如果用Tw和Tf分别表示壁面和流体温度则Tm=(Tw+Tf)/2。–(3)壁面平均温度Tw。定性温度6.5自然对流换热•无限空间中的自然对流换热•无限空间是指流体处于很大空间。这时换热面附近的流体自由运动不会受到其它表面的干扰。•例子：工程上各种炉子、热设备、铸型、输送热流体的管道等在空气中的放热过程。第5节自然对流换热•无限空间中自然对流换热准则方程•在自然对流换热中，Gr准则起重要作用，而Re可不考虑，因此在无限空间中自然对流换热准则关系为•Nu=f(Gr,Pr)•大量实验表明，无限空间中自然对流换热准则方程式为nGrCNuPr)(第5节自然对流换热•无限空间中自然对流换热的定性温度为流体与壁面的平均温度Tm=(Tw+Tf)/2。•无限空间中自然对流换热准则方程式中的系数C和指数n可根据放热表面的形状、位置及(GrPr)数值范围由表6-10选取。•以空气自然冷却物体时，空气温度在10~40℃，物体表面温度在50~100℃，则可用表6-11的空气自然对流换热系数的简化计算式进行换热系数h的计算。第5节自然对流换热•[例10-2]平板在不同位置冷却的热流量垂直放置热面朝上热面朝下第5节自然对流换热•一块0.6m×0.6m的薄板放在温度为30℃的室内。板的一面保持在74℃，另一面绝热，如图所示。计算下述条件下此平板自然对流换热的热流量：•（1）平板垂直放置；•（2）平板热面朝上水平放置；•（3）平板热面朝下水平放置。第5节自然对流换热•解：–假设–1.换热为稳定态；–2.空气为理想气体；–3.大气压力为1atm•定性温度为•Tm=(Ts+T∞)/2=(74+30)/2=52℃=325K•空气的热物性参数为•λ=0.0279W/m℃,ν=1.815×10-5m2/s，Pr=0.709,•β=1/Tm=1/325K=0.00308K-1第5节自然对流换热•（1）平板垂直放置•此时定型长度为平板的高度，即L=0.6m，82253122310702.8)/10815.1()6.0]()3074)[(00308.0)(/81.9()(smmKKsmLTTgGrs881017.6709.010702.8PrGr第5节自然对流换热由表10-2可得此时的Nu数为因此得所以垂直放置的热流量为0.93)1017.6(59.0Pr)(59.04/184/1GrNu℃mWm℃mWNuLh2/3.40.936.0/0279.022236.0)6.0(mmLAW℃m℃mWTThAQs1.68)3074)(36.0)(/3.4()(22第5节自然对流换热•（2）平板热面朝上水平放置•此时的定型长度为mmLLLSAL15.046.044272253122310361.1)/10815.1()15.0]()3074)[(00308.0)(/81.9()(smmKKsmLTTgGrs671065.9709.010361.1PrGr第5节自然对流换热由表10-2可得此时的Nu数为因此得所以垂直放置的热流量为1.30)1065.9(54.0Pr)(54.04/164/1GrNu℃mWm℃mWNuLh2/60.51.306.0/0279.022236.0)6.0(mmLAW℃m℃mWTThAQs7.88)3074)(36.0)(/60.5()(22第5节自然对流换热•（3）平板热面朝下水平放置•此时定型长度、换热面积和Gr数都与（2）相同，但Nu数由表10-2应为0.15)1065.9(27.0Pr)(27.04/164/1GrNu℃mWm℃mWNuLh2/8.20.1515.0/0279.0W℃m℃mWTThAQs4.44)3074)(36.0)(/8.2()(22可以看出，在平板自然对流换热时，热面朝下的换热强度最小。这是因为此时空气的流动受到了阻碍。第5节自然对流换热•讨论：在本例中平板除通过自然对流换热外，还通过辐射向周围环境散热。假设平板表面为黑体（黑度系数ε=1）并且室内墙壁的温度与室温相同（30℃），则通过辐射换热的热流量为：•这比上面任何一种自然对流换热的换热强度都大。因此在实际计算物体表面通过自然对流换热时，通过辐射散发的热量也是很显著的，必须予以考虑。WKKKmWmTTAQs124])27330()27374)[(/1067.5)(36.0)(1()(44428244本章小结重点掌握以下内容：1）对流换热的分类、特点及影响因素；2）运用牛顿冷却公式计算对流换热问题；3）边界层的概念，特点及其对求解对流换热问题的指导意义；4）对流换热边界层微分方程的解的函数形式------特征数关联式。特征数Nu，Pr，Re的物理意义；复习题P185-186：1.2.6例题：4-3