1、对流换热公式汇总与分析精品对流换热公式汇总与分析【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程， 称为对流换热，它已 不是基本传热方式。本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式 简单汇总与分析。【关键词】对流换热 类型 公式 适用范围对流换热的基本计算形式一一牛顿冷却公式：q=h(tw-tf) (W/m2)或Am2上热流量 门二h(tw -tf) (W)上式中表面传热系数h最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即h = f(u,tw，tf, ,Cp,匚:，fl)综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进 行，本文所涉及的典型换热类型如表 1所示。表
2、1典型换热类型对流换热无相变换热受迫对流换热内部流动换热圆管内受迫流动非圆形管内受迫流动外部流动外掠平板外掠单管外掠管束(光管；翅片管)自然对流换热无限空间竖壁；竖管横管水平壁(上表面与下表面)有限空间夹层空间混合对流换热受迫对流与自然对流并存相变换热凝结换热垂直壁凝结换热水平单圆管及管束外凝结换热管内凝结换热沸腾换热大空间沸腾换热管内沸腾换热(横管、竖管等)1.受迫对流换热1.1内部流动1.1.1圆管内受迫对流换热(1)层流换热公式西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为Nu =1.86Re73 Pr；/3(g)1/3( -)0.14f f f Iw或写成 NUf =1.86(Pef d)1/
3、3()0.14f I (J.w式中引用了几何参数准则d，以考虑进口段的影响。1适用范围：0.48 : Pr 16700，0.0044 ：(厂：9.75。w定性温度取全管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径 d。如果管子较长，以致(Re 卩芒)1/3(土)0.14乞 2lw则NUf可作为常数处理，采用下式计算表面传热系数。常物性流体在热充分发展段的 Nu是NUf =4.36(q=co nsl)NUf =3.66(tw =c onst)(2)过渡流换热公式对于气体，0.6 : Prf : 1.5， 0.5 ：匚：:1.5， 2300 : Ref : 104。0.8 0.4 d、2/3 Tf、0.45
4、NUf =0.0214(Ref -100)Prf 1 (一)()l TwPr对于液体，1.5 ： Prf : 500，0.05 ： 20，2300 : Ref : 104。PrwNuf =O.O12(Re；87 - 28O)Pr0.41(d)2/3(匹)0.11I Prw式中 Prf 管子进出口断面温度下的Pr平均值；(d /l)2/3 修正管子长度的影响。(3)紊流光滑管公式对于紊流光滑管内紊流，使用最广泛的关联式是迪图斯-贝尔特公式：加热流体 Nuf =O.O23Re0.8Pr0.4 (tw tf)冷却流体 Ng =O.O23Re0.8Pr0.3 (tw : tf)适用于流体与壁面具有中等
5、以下温度差。适用参数范围：(l/d) .10，Ref 104，Prf =0.7 160。定性温度取全管长流体平均温度，定型尺寸为管内径 d。对于液体，当与管壁间的温差比较大，导致黏度有明显的变化时，则可采用 关联式：LL08 1/3 , f、0.14Nuf = 0.023Ref Prf ()-w式中，Jf和Jw分别为流体温度tf和壁温tw下的流体动力黏度，N s/m2。当加热液体时，tw ： tf，则山/仏0.14 .1 ；反之，当冷却流体时, W 0.14 :：: 1。此式修正了物性场不均性的影响，在计算时，若壁温未知，则须采用试算法进行， 即先假定tw，最后进行校核。关于物性变化的修正，实
6、际情况是较为复杂的，因为对于液体或气体、大温差或小温差、不同的流态等等，其影响的程度不尽相同。(4)粗糙管公式St Pr2/3=f8式中的St二 也和Pr均采用流体平均温度tf作为定性温度。Pcpm Re Pr紊流摩擦系数:对于Re =1032 105范围内还可以采用布拉修斯公式： f = 0.3164 Re对于已有的实际设备，亦可经由实验测定 巾和um后按式邛=f丄乂d 2计算f，这样与实际情况更符合。1.1.2非圆形管内受迫流动对于非圆形管，例如椭圆管、矩形流道等，定型尺寸采用当量直径 dede4f式中 f流道断面面积，m2;U 流体润湿的流道周边，m。求得当量直径后就可应用圆形管的公式计
7、算。对于螺旋形管，如螺旋板式或螺旋管式换热设备，流体通道成螺旋形。在弯 曲的通道中流动产生的离心力，将在流场中形成二次环流，增加了对边界层的扰 动，有利于换热，而且管的弯曲半径越小，二次环流的影响越大。故求得的结果 尚需乘以管道弯曲影响的修正系数；R，它大于1。pl气体 ；r =1 1.77 dR液体 ；R=1 10.3(d)3R式中 R螺旋管曲率半径，m ；d 管直径，m。1.2外部流动1.2.1外掠平板(1)层流边界层段公式(常壁温)边界层厚度局部摩擦系数C f ,x= 0.332 ReX1/2式中雷诺准则Rex =土兰常壁温平板局部表面传热系数： hx = 0.332 ReX/2 Pr1
8、/3x写成无量纲准则关联式： Nux =0.332 Ref Pr1/3对长度为I m的常壁温平板，平均表面传热系数：ih 二 hxdx/l 二 2hi0人 1/2 1/3h= 0.664 Re Prl1/2 1 /3Nu = 0.664 Re1/2 Pr在实际计算时，物性参数可按边界层平均温度 tm=(tf tw)/2确定(2)紊流边界层段公式(常壁温)柯尔朋类比律：Stx Pr2/3 =Cf,x/2tf +tw定性温度tm -，近似适用于Pr=0.550。常壁温外掠平板紊流局部表面传热系数关联式4/ 5 1/3NUx =0.0296 Rex Pr常壁温外掠平板紊流平均换热准则关联式Nu 二（
9、O.O37Re0.8-87O）Pr1/3适用范围：0.6乞Pr岂60，5 105乞Re08。定型尺寸为板长I，定性温度恤二(tf tw)/2。1.2.2外掠单管NUf 5；0.37 # Prf、0.25rf (PrT)C及n值列在下表中。定性温度为主流温度，定型尺寸为管外径，速度取管 外流速最大值。当Pr 10时，Prf的幕次应改为0.36。适用范围0.7 : Prf : 500 ； 1 水平圆筒：Nud =0.60适用范围：Rad 由 10 2.2有限空间不需要任何修正O+1 (0.492/Pr)订0.387Ra1/6 21 (0.599/Pr)9/168/270.387RaH/69/16皿
10、72因此通常把两侧的热流通过有限空间是冷热两壁自然对流换热的综合结果，换热用一个当量表面换热系数he表达，则通过夹层的热流密度q为q he(tw1 tw2)封闭夹层空间换热准则关联式用下列形式表示dNu，C(Gr、Pr)m( )nH式中，Nu、.及Gj的定型尺寸均为夹层厚度；，m ；定性温度为1 tm (tw1 tw2), C ； H为竖直夹层高度，m。2表6有限空间自然对流换热准则关联式夹层位置Nu准则关联式适用范围竖直夹层（气体）=1 （导热）Gr 3.205倾斜夹层 （热面在下 与水平夹角为日）1708= 1 +1.446(1 )Gr Pr cos 日1708(Gr Pr cos日)c
11、5900= 0.229(Gr Pr cos)02525900 (Gr Fr cos日)C9.23X104= 0.157(Gr Pr cos日)02859.2S04 v(Gr Pr cos) c1063.混合对流换热在受迫对流换热过程中，由于流体各部分温度的差异，将发生自然对流。若 在受迫对流中自然对流因素不可忽略，这种流动称为自然与受迫并存的混合流 动。自然对流对受迫对流的影响将与壁面位置、 受迫对流和自然对流流动方向等 有关，但要使受迫对流受到明显影响，最主要的是必须具备足够大的自然对流浮 升力。因此，判断是不是纯受迫对流，或者混合对流，可根据浮升力与惯性力的 相对大小来确定。两力之比为g： tu2：/lq=tl3J临.2=Gr/Re2一般情况下可以认为 Gr/Re2 _0.1时，就不能忽略自然对流的影响；如果Gr/Re2 -10，则可作为纯自然对流看待，而忽略受迫对流。【参考文献】1传热学（第五版）章熙民 任泽霈 梅飞鸣 中国建筑工业出版社2007
