第6章 单相对流传热的实验关联式

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1、第6章单相对流传热的实验关联式6.1相似原理与量纲分析6.2相似原理的应用6.3内部强制对流传热的实验关联式6.4外部强制对流传热-流体横掠单管、球体及管束的实验关联式6.5大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式6.6射流冲击传热的实验关联式（不讲）本章小结及作业1§6.1相似原理与量纲分析由于对流传热问题的复杂性，实验研究方法是目前获得表面传热系数的最主要方法。在对要研究的对流传热现象进行常规实验研究时，往往会遇到三方面的困难：（1）在原型上进行实验比较困难；（2）实验工作量大；（3）得到的实验结果应用范围较小。以无相变管内强制对流传热为例说明：h=f(v,d,λ,cp,ρ,η)相似

2、原理能够指导我们进行模化实验、减小工作量、指导整理实验数据并能扩大实验所得公式的应用范围。本节将简单介绍相似原理的基本内容，下一节将介绍相似原理在对流传热实验研究中的应用。26.1相似原理与量纲分析6.1.1物理现象相似的定义6.1.2相似原理的基本内容6.1.3导出相似特征数的两种方法返回36.1.1物理现象相似的定义物理现象相似的定义：对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻以及相应的地点上与现象有关的物理量均一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。三点说明：（1）同类现象是指由相同形式和相同内容的微分方程式所描写的现象。流动和传热不是同类现象（方程内容不同），强制对流传热和自然对流传热

3、也不是同类现象（方程形式不同）。强制层流对流传热和强制湍流对流传热是否是同类现象？（2）理论上，要求与现象有关的物理量都要一一对应成比例。实际上很难做到，往往需要近似，即所谓“近似模化”。（3）对于稳态问题，没有对“时刻”的要求。返回46.1.2相似原理的基本内容相似原理主要包括以下三方面的内容：1、相似物理现象之间有何特性（相似第一定理）；2、同一类现象中有多少独立相似特征数及它们之间的关系（相似第三定理）；3、实现两个同类物理现象相似所需要满足的条件（相似第二定理）。51、相似物理现象间的特性相似的物理现象之间同名相似特征数相等。如对于流体与固体表面间的对流传热现象，所有相似的对流传热

4、现象均具有相同的Nu数。62、同一类现象中相似特征数的数量及其间的关系Π定理表达了一个物理现象中的无量纲特征数之间的相互关系：一个表示n个物理量之间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-r个独立的无量纲物理量群间的关系式。r是n个物理量中所涉及到的基本量纲的数目。对于彼此相似的物理现象，无量纲特征数之间的关系（特征数方程）都相同。因此，对某一特定物理过程所获得的特征数方程也适用于所有其它与之相似的同类物理现象。试分析管内强制对流传热的独立无量纲特征数有几个。73、两个同类物理现象相似的充要条件（1）同名的已定特征数相等；对于管内强制对流传热，Re和Pr数是由已知条件构成的，属于已定

5、特征数；Nu数包含待求的表面传热系数，属于待定特征数。（2）单值性条件相似。包括初始条件、边界条件、几何条件（表面几何形状、位置以及表面粗糙度等）、物理条件（物体的种类及物性）。返回86.1.3导出相似特征数的两种方法前述的Π定理仅给出了一个物理现象可以整理出多少个独立无量纲特征数的数目，但并没有告诉如何得出这些独立无量纲特征数的形式。导出相似特征数有两种方法：相似分析法和量纲分析法。相似分析法是根据对物理现象的数学描述进行无量纲化得到相似特征数的方法，结果比较可靠。但应用该种方法的前提是首先必须要得出其数学描写。量纲分析法是首先找出与所研究物理问题有关的全部独立物理量，然后通过应用“量纲

6、和谐原理”来得出相似特征数的方法。该方法优点是对于尚不能写出数学描述的物理问题也能应用。但如果遗漏与所研究物理问题有关的物理量，会得出错误的结果。限于时间，我们不具体讲解这两种方法导出相似特征数的过程。对于无相变管内强制对流传热问题，书中用量纲分析法得到了三个独立相似特征数。返回96.2相似原理的应用对于所研究的物理现象，在得出了其涉及的相似特征数之后，就需要在相似原理指导下设计模型实验装置，安排实验过程及实验数据整理。作为实验结果的使用者来说，也要注意如何选择和使用经验关联式来得到正确的结果。6.2.2应用相似原理指导模化实验（建立实验模型）6.2.1应用相似原理指导实验的安排及实验数据

7、整理6.2.4对实验关联式准确性的认识（如何正确地选择公式）6.2.3应用特征数方程应注意之点（如何正确地使用公式）例题讲解返回106.2.2应用相似原理指导模化实验模化实验是用不同于实物几何尺度的模型来研究实际装置中进行的物理过程的试验。要使模型实验得出的结果能用来指导实际装置的设计和运行，模型以及实际装置中所进行的物理过程必须是相似的物理现象。即必须要满足相似的充要条件：同名已定特征数相等和单值性条件相似。要实现完全