传热学—第五章.docVIP

4-6 对流换热准则关系式的实验获取方法 由于对流换热问题的复杂性，实验研究是解决换热问题的主要方法。在工程上大量使用的对流换热准则关系式都是通过实验获得的。这里对实验研究的方法做一个简单的介绍。 我们从无量纲微分方程组推出了一般化的准则关系式。但这是一个原则性的式子，要得到某种类型的对流换热问题在给定范围内的具体的准则关系式，在多数情况下还必须通过实验的办法来确定。如何去进行实验?如何测量实验数据?以及得到。 由于我们是在寻找准则关系式，必须在不同的工况下获得不同的换热系数值。所以在某一实验工况下测量上述物理量，并计算出换热系数与该工况对应，然后改变工况又得出对应的另一个换热系数值。如此进行N次，就可以得到一组对应数据如下： 将它们无量纲化可以得出。 如果认为准则关系式有这样的形式。这是一种先验的处理办法，但是，这给拟合准则关系式带来较大的方便。对此式两边取对数有， ，从而使关系式变为线性关系式，如的形式。这样就使整理实验数据变得较为容易。 最小二乘法是常用的线性拟合方法，原理和计算公式简述如下： 假定线性关系为，做k次实验得到，式中与假定关系比较误差为，。为了使W值最小，应有。于是得到求解的方程式为， ，式中， 。 求出之后，假定线性关系确立，最后得到形式的准则关系式。 采用几何作图的方法亦可以求出的数值，读者可参阅图4－13。 这里再次强调，无量纲准则中的特征流速和特征尺寸的选用应按照换热过程的类型来决定，其原则是，能代表流场特征，且易于通过实验获取。这里特征流速选为u∞，特征尺寸选为L，符合上述原则。 对于几何结构比较复杂的对流换热过程，特征尺寸无法从已知的几何尺度中选取，通常的做法是采用当量尺寸。如异型管槽内的流动换热，其当量直径定义为，式中f为流体流通面积；P为流体的润湿周边。如图4－14所示。 有时，在确定特征流速时也同样会迂到困难，如自然对流换热、流过管束的换热及异形流道中的换热等。这些都将按照实际情况或工程上约定的办法来处理。 此外，无量纲准则中的物性量的取值温度，也就是定性温度，这里采用了膜温度.不同的换热类型定性温度的选取也是不同的，这都会在后面介绍实验关系式的应用时明确指出。 通过实验获得的准则关系式，不仅能够应用于实验所采用的对流换热问题，而且还可以推广应用于同类型对流换热问题。譬如，流体平行流过平板的对流换热，我们是在某种流体中进行的实验，所得到的准则关系式可以用于同类型不同温度的同种流体，或者其它流体；亦可用于同类型不同长度、不同流速的平板。值得注意的是，实验是在一定的范围内进行的，相应的雷诺数和普朗特数就有一定的范围，在推广应用时一定要予以指明。 在后续的章节中介绍实验关系式时，都会指出关系式的特征尺寸、特征流速、定性温度，以及适用的雷诺数和普朗特数的范围。读者在使用准则关系式时应特别注意这一点。 4-7 管（槽）内流体受迫对流换热计算 一、管（槽）内流动换热的特点 流体在管内流动属于内部流动过程，其主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）区段和流动充分发展区段，如图4－15所示。 在流体流入管内与管壁面接触时，由于流体黏性力的作用近壁会形成流动边界层。随着流体逐步向管内深入，边界层的厚度也会逐步增厚，当边界层的厚度等于管子的半径时，边界层在管子中心处汇合，此时管内流动成为定型流动。那么，从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口区，而进入定型流动的区域称为流动充分发展区。 如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。 实验研究表明，当管内流动的雷诺数Re2300时为层流流动，当管内流动的雷诺数Re≥104时为紊流流动，而雷诺数在Re2300104之间时管内流动处于过渡流动区域。上述关系式中的雷诺数定义为,式中um为管内流体的截面平均流速，d为管子的内直径，ν为流体的运动黏度。 当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。 管内流动进口区的长度 对于层流和紊流是不一样的。层流时流动进口段的长度l由如下关系决定： 4－19 而层流时的热进口段长度为, , (对于) 均匀壁温 4－20a 。 (