МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА «ТЕПЛОФИЗИКИ»
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена»
Лекция №10. Основы конвективного теплообмена
Москва 2026
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена».
Расчет конвективного теплообмена сводится к определению коэффициента теплоотдачи. Для его нахождения требуется выполнение определенного алгоритма. Для вынужденной конвекции он выглядит следующим образом:
1.Необходимо четко определить геометрию задачи, а также внутреннее это или внешнее обтекание. Например, внешнее поперечное обтекание круглого цилиндра;
2.Необходимо правильно выбрать определяющий размер канала или тела:
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
2 |
Внутреннее обтекание
Канал произвольной формы |
dэкв = 4A/P |
A - площадь поперечного сечения канала, |
|
|
занятого потоком; |
|
|
P - полный смоченный периметр (граница |
|
|
соприкосновения жидкости со стенкой). |
Круглая труба |
d |
Совпадает с внутренним диаметром. |
|
|
|
Кольцевой зазор |
D - d |
Разность внутреннего диаметра наружной |
|
|
трубы и внешнего — внутренней. |
Прямоугольный канал |
2ab/(a + b) |
a и b – стороны прямоугольника |
|
|
|
Квадратный канал |
a |
Совпадает со стороной квадрата |
|
|
|
Плоская щель |
2 |
- высота щели |
|
|
|
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
3 |
Внешнее обтекание
Плоская пластина |
x для местного коэффициента |
x – расстояние от кромки |
|
теплоотдачи, |
пластины до точки, где |
|
L – для среднего |
необходимо определение |
|
коэффициента теплоотдачи |
коэффициента теплоотдачи; |
|
|
L – полная длина пластины по |
|
|
направлению потока |
Цилиндр (поперечное |
d |
диаметр цилиндра |
обтекание) |
|
|
Сфера |
d |
диаметр сферы |
|
|
|
Одиночная труба в потоке |
d |
внешний диаметр трубы |
|
|
|
Обтекание пучков труб |
d |
диаметр трубы |
(поперечное обтекание) |
|
|
Обтекание пучков труб |
dэкв |
используется эквивалентный |
(продольное обтекание) |
|
диаметр ячейки между трубами |
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
4 |
Расчет конвективного теплообмена сводится к определению коэффициента теплоотдачи. Для его нахождения требуется выполнение определенного алгоритма. Для вынужденной конвекции он выглядит следующим образом:
1.Необходимо четко определить геометрию задачи, а также внутреннее это или внешнее обтекание. Например, внешнее поперечное обтекание круглого цилиндра;
2.Необходимо правильно выбрать определяющий размер канала или тела:
3.Необходимо определить свойства жидкости/газа, желательно сразу для двух вариантов: при температуре потока набегающей жидкости/газа и для средней температуры между температурой потока и температурой теплоотдающей поверхности;
4.Определить режим течения, рассчитав число Рейнольдса и сравнив его с граничными значениями режимов: = ·
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
5 |
|
Ламинарный |
Переходный |
Турбулентный |
|
|
|
|
Внутреннее обтекание |
|
|
|
Трубы и каналы |
< 2300 |
2300…104 |
> 104 |
|
|
|
|
Внешнее обтекание |
|
|
|
Пластина |
< 5 105 |
5 105…107 |
> 107 |
Цилиндр (поперечное |
< 2 105 |
5 105…5 105 |
> 105 |
обтекание) и сфера |
|
|
|
Обтекание пучков труб |
< 103 |
103…2 105 |
> 2 105 |
(поперечное) |
|
|
|
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
6 |
5. Выбрать подходящее расчетное выражение для расчета числа Нуссельта (в зависимости от диапазона
чисел Рейнольдса, типа среды, а также числа Прандтля) h·
=
Течение в трубах и каналах
1. Ламинарный режим (Re < 2300):
При постоянной температуре стенки (tw = const): При постоянном тепловом потоке (qF = const):
2. Турбулентный режим (Re > 10000): Уравнение Диттуса-Белтера:
где n = 0.4 при нагреве, n = 0.3 при охлаждении жидкости.
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
7 |
5. Выбрать подходящее расчетное выражение для расчета числа Нуссельта (в зависимости от диапазона
чисел Рейнольдса, типа среды, а также числа Прандтля) ·
=
Внешнее обтекание тел
1. Плоская пластина:
Ламинарный режим: Турбулентный режим: 2. Поперечное обтекание цилиндра (Хильперт):
|
|
Re |
m |
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1…40 |
0,33 |
|
0,911 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40…400 |
0,466 |
|
0,683 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
000…40 000 |
0,618 |
|
0,193 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
000…400 000 |
0,805 |
0,0266 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
8 |
|||||
5. Выбрать подходящее расчетное выражение для расчета числа Нуссельта (в зависимости от диапазона
чисел Рейнольдса, типа среды, а также числа Прандтля) ·
=
Внешнее обтекание тел
3. Обтекание сферы (Ранц-Маршалл):
Теплообмен в пучках труб
Уравнение Жукаускаса для 10-го ряда и далее:
|
Re |
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Шахматные пучки |
|
Коридорные пучки |
|
|
|
|
|
|
|
|
1…103 |
0,5 |
|
0,5 |
|
|
103…2 105 |
0,6 |
|
0,63 |
|
|
> 2 105 |
0,84 |
|
0,84 |
|
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
9 |
||||
Задача 1. Ламинарное обтекание пластины
Воздух (tl = 20 °C) обтекает пластину (u = 2 м/с). Найти x на x = 0.2 м, если tw = 60 °C.
Курс лекций «Основы теории тепломассообмена». Основы конвективного теплообмена |
10 |