对流换热

传热学对流换热部分相关知识总结，包括它的基本定义、分类、影响因素、积分对流换热凝结与沸腾（相变）特殊情况（单相）基本概念分类影响因素数学描述、边界层理论、特殊情况（单相）等等。

对流换热

• 基本概念
  • 基本定义
    • 研究目标
      • 计算表面换热系数h
  • 分类
    • 流动起因
      • 强迫对流
      • 自然对流
        • 起因：流体内部的密度差
    • 有无相变
      • 单相流
      • 多相流
        • 沸腾或凝结
    • 流动状态
      • 层流
      • 湍流（紊流）
      • 雷诺数
    • 几何因素
      • 换热表面的形状，大小，换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）
    • 常见对流传热的情况
      • 
  • 影响因素
    • 
  • 计算已知温度场求h
    • 
  • 数学描述
    • 假设
      • 二维
      • 不可压流的牛顿型流体
        • （牛顿粘性定律）
      • 常物性，无内热源
      • 粘性耗散忽略
    • 微分方程
      • 
    • 控制方程
      • 质量守恒方程（连续性方程）
        • 
      • 动量守恒方程
        • 
      • 能量守恒方程
        • 
  • 边界层理论
    • 流动边界层
      • 理论与概念
      • 掠过平板的流动发展
        • 
          • 层流边界层内运动微分方程的特点
            • 与二维稳态的Navier-Stokes方程相比，上述运动微分方程的特点是：（1）在方程中略去了主流方向的二阶导数项：（2）略去了关于速度的动量方程；（3）边界层内p关于y的偏导为0
    • 热边界层
      • 理论与概念
  • 相似理论
    • 理论
    • 准则数
      • 雷诺数Re
        • 
      • 努塞尔数Nu
        • 
      • 普朗特数Pr
        • 
      • 斯坦顿数St
        • 
    • 各准则数的区分与物理意义
• 特殊情况（单相）
  • 管内流
    • 
      • 层流
        • 
          • 定性温度
            • 定性温度为流体平均温度t（但n按壁温计算）
      • 紊流
        • 通式
          • 
            • 加热流体n＝0.4
            • 冷却流体n＝0.3
          • 适用条件
            • 约束
              • 定性温度
                • 流体平均温度
              • 特征长度
                • 管内径
            • 雷诺数为10000～1.2e5
            • Pr＝0.7～120
            • l/d≥60
            • 液体与壁面为中等温差
              • 气体≤50℃，水≤20～30℃，油≤10℃
            • 恒壁温，恒热流边界
            • Pr不能太小（液态金属）
          • 修正
            • 1. 短管
              • l/d＜60
                • 
                  • 入口效应：即入口段由于热边界层较薄而具有比充分 发展段高的表面传热系数
            • 2. 螺旋管线或弯管
              • 
                • 螺旋管内的流体在向前运动的过程中连续地改变方向，因此会在横截面上 引起二次环流而强化换热。
            • 3. 大温差
              • 
                • 温度升高，粘度增大，边界层变厚
            • 4. 非圆形截面
              • 特征长度为当量直径
                • 
      • 临界雷诺数为2300
      • 特征长度为管径
    • 
      • 入口段与充分发展段
        • 入口段
          • 
            • 从进口到充分发展段之间的 区域称为入口段（entranceregion）。
              • 层流时入口段长度计算
                • 
              • 湍流时，只要l/d＞60，则平均表面传热系数不受入口段影响。
        • 充分发展段
          • 
            • 当流动边界层及热边界层汇合干管子中心线后称流动或换热已经充分发 展（fullydeveloped），此后的换热强度将保持不变
        • 表面换热系数特点
          • 
            • 入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数比充分发展段的高，且沿着主流方向逐渐降低。 如果边界层中出现淄流，则因满流的忧动与混合作用又会使局部表面传热系数有所提高，再逐渐趋向于一个定值
            • 
    • 
      • 强化机理
        • 热阻主要在边界层
          • 减薄或破坏温度边界层
          • 改变流体物体
      • 强化手段
        • 增加流速
        • 采用内肋管，弯管，内螺纹管等
        • 短管，小直径管
        • 增加壁面粗糙度
  • 外掠平板
    • 图
    • 在x处的Nu数（层流）
      • 
    • 整个平板的对流换热（等温平板）
      • 
        • h与x的1/2次成反比
      • 特征长度
        • 板长l
      • 定性温度
        • 边界层内的平均温度
          • （tw+t∞）÷2
      • 特征流速
        • 来流速度
    • 层流判断
      • Re＜500000
  • 外掠单管与管束
    • 
      • 外掠单管
        • 特点
          • 1. 存在绕体脱流现象
            • 
          • 2. 沿圆管表面局部表面传热系数的变化
            • 边界层的成长和流动脱体决定了外掠圆管换热的特征
            • Re＝10～1.5e5为层流，脱体角为80到85
            • Re≥1.5e5为湍流，脱体角为140
          • 3. 冲刷角的影响
        • 表面传热系数
          • 
      • 外掠管束
        • 顺排与叉排
          • 顺排易造成管子后部的滞止区，h较小，但易于清洗
          • 叉排使管间通道的扰动大大加剧h较大，但阻力损失易增加
        • 后排管易受前排影响
          • 排数越多，扰动越强，换热越强，引管排修正系数，但当总排数到过10或16时消失
        • 
          • 特征流速取管排间最大流速，即最窄截面的平均流
  • 自然对流
    • 
      • 驱动力
        • 温度场的不均匀性引起密度不均匀性，并在重力作用下产生的浮升力
      • 层流与湍流的判别
        • Gr格拉晓夫数
          • 
          • 它在自然对流现象中的作用与雷诺数在强制对流现象中的作用相当。 物理上，Gr数是浮升力/粘带力比值的一种度量。 Gr数增大表明浮升力作用相对增大。
    • 大空间自然对流
      • 是指热边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流，而不拘泥于几何上的很大或无限大。
      • 常壁温
        • 
    • 有限空间自然对流
      • 特征长度为夹层厚度
    • 自然对流与受迫对流共存
      • 判定
        • Gr/Re平方
        • 浮升力与惯性力的平方之比（无因次，消除单位）
        • ≥0.1，不能忽略自然对流，混合对流
        • ≥，纯自然对流
      • 影响与壁面位置、受迫对流和自然对流的流动方向有关
• 凝结与沸腾（相变）
  • 凝结
    • 概念
      • 珠状凝结
      • 膜状凝结
      • 取决于表面张力和对壁的附着力
    • 计算
      • 判别：
        • 竖壁膜状凝结
          • 
          • 临界雷诺数为1600
      • 
        • 特征长度
          • 竖直
            • 液膜的当量直径
          • 水平
            • πd
        • 定性温度
          • 液膜平均温度
    • 
      • 
        • 凝结发生在液膜表面
        • 传热的影响因素
          • 壁的高度（液膜流程长度）
          • 蒸气与壁的温度差
        • 层流膜状凝结
          • 壁高与温差越大，h越小
        • 紊流膜状凝结
          • 壁高与温差越大，h越大
      • 影响因素
        • 1. 不凝结气体
          • 降低蒸汽分压力，降低蒸汽饱和温度，减小温差
          • 增加了传热阻力
        • 2. 管子排数
        • 3. 管内冷凝
        • 4. 蒸气流速
        • 5. 蒸汽过热度
        • 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性
        • 7. 蒸气含油
          • 结垢，削弱传热
        • 8. 凝结表面几何形状
          • 减薄凝结液膜，强化换热
      • 强化原则
        • 1. 减薄或破坏凝结液膜
        • 2. 尽快从凝结表面排泄
        • 3. 尽可能减少不凝结气体
  • 沸腾
    • 特点
      • 牛顿冷却定律适用
      • 加热方式有控制壁温，控制热量
      • 推动力——壁温过热
      • 强度较强，h很大
    • 大空间饱和沸腾曲线
      • 
        • 自然对流区域
        • 核态沸腾（泡态沸腾）
          • 气泡核心产生原因
            • 过热度（动力）
            • 沸腾表面的微小凹坑
          • 热量传递的过程
            • 热量一方面，经由气泡和壁直接接触的表面传给气泡， 另一方面，热量由壁传给液体，再由液体传给气泡表面使液体气化，汽泡继续长大
          • 气泡的作用
            • 气泡的剧烈扰动时，表面传热系数和热流密度都急剧扩大 汽化核心对换热器决定性作用
        • 过渡沸腾区域
        • 稳态膜态沸腾区域
    • 影响因素
      • 不凝结气体
      • 过冷度
      • 液位高度
      • 重力加速度
      • 管内沸腾
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