坚壁自然对流换热系数计算研究

余年寄山水
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2020年07月30日 18:16
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I7 
能源研究与利用 
15.\ 

1997年 第1期 
) 
坚壁自然对流换热系数计算研究 
墨垩 宣庳、/范铭
东南大学 动力I程系 
了 /2 
丹提要 本文对竖壁自然对流求解提出 新的条件假设,络出j其合理 的 
控制方程。通过计算,得出7自然对流计算的新准则关系式,拓展7准则的适用 
范围,可 以为I程上精确计算采用。 : 

关键词 

,— ———一
咝< br>-__ 

堡苎墨墼 
—●。 ’一 
专 
’ 
、< br>Bl 言 
自然对流传热在工程实践中有着极其 
广琵的应用。化工、动力、电子、宇航 等等领 
域无不涉及到自然对流换热。到目前为止. 
研究工作者在边界理论的先导下,已对自 然 
对流进行了广 、深入她研究。实验表明,以 
往的计算结果在太Grashof数(以下 简写为 
Grx)下与实验值吻合很好,而中小Grx数 
下的换热计算有着不小的误差,还没 有一个 
果,尤其是中小Grx下的结果带来很大的 
误差。 
我们从满足壁面特性的 平衡条件出发, 
可以导出在壁面上,该控制方程在Y方向 
上分力平衡关系式为 ( )。= 一 ( 
耋)。为了保证这一平衡关系,我们认为第一 
个假设条件应为: 
成熟的、 公认的准则供工程上精确计算使 
用。在工程上,人们碰到的也大多属中小 
Grx数下的自然 对流问题。本文拟从竖壁自 
声 
: 
(… 1) 
于是可以建立简化后的热 边界层扩展 
方程如下: 
然对流控制方程的简化分析入手,最终得出 
了合理的、在 整个层流流动范围内都适用的 
准则方程。 
宴+ 一0 
“ 
(2.1) 
:、控制方程分析及简化 
控制自然对流流动的热边界层方程为 
Navler--S tokes偏微分方程组。为便于求 
解.需进行量纲分析、条件假设及方程简化。 
在简化中 .保证简化形式与Navier—Stokes 
方程在物理上的一致性是极其重要的,为 
此 ,简化形式应力求保持方程在壁面上的平 
衡条件,因为壁面特性在流动与传热研究中 
是最重 要的。传统边界层理论在简化二维、 
稳态、层流、不可压缩竖壁自然对流热边界 
层方程组时 来用数量级分析法.其假设条件 
3D 

+十 言—一 一 嘉一7 罢一g+,  c +嘉, 
(2.2) 
挈一 窖 一 

(2.3) 
“否十  面 ‘罢+  十 等+雾)(【z2-‘4 ) 
对应边界条件为: 
=。: 一0、 =O 、I’=7 (壁面温 
度) (3.1) 
一~-o.考 z’ , =。 
(3. 2) 
_。 
』 
为: =0及; =0,通过分析 ,可以知道 
∞ 假设条件 =0破坏了热边界层控制方程 
在壁面上力的平衡关系式,这将给计算结 
其中 u、v分别为x及y方向的分速度, 
7为运动牯性系数,a为导温系数。 
三、热边界层扩展 方程的无因次化 
为了求得热边界层扩展方程(2)式的理 


・16・ 能源研 究与利用 1997年第1期 
论解,必须对其无因次化.下面通过相似变 寸) 
(5.2)  
换。 可以将(2)式转换为无因次流函数f及 
Gr一—g(T
w --
Te)xa (5

无因次温度8的拟常微分方程组如下: 
广

3 ) 
(1+ N) +3,・ 一2 +0=0 
其边界条件相应转换为: 
(4.1 ) 
=0:f=0 一0口 1(6.1) 
; : 一0 一0 0=0 
cpNf  ̄'一{G,’{ ‘ +__1 i_1 ・ 

0 (6.2) 
一 
{ .月 (4

2) 
很明显,(4.1)、(4.3)式需联立耦合求 
(1 +Cep) +3Prf・0_ 一0(4.3) 
解。 
Cpe ̄ 一i1 L,
1  
四、结果分析 

, 
% +吾Gr一}・ 
图1给出方程(4) 求得的壁面无量纲温 
簟・ (4.4) 
度梯度 (0)随Grx数的变化规律曲线 可 < br>其 一√ . ( { 
以看出当Grx≥10 时, (。)趋于一常数。 
我们对该 曲线进行拟合,得函数关系如下: 
(5.1) 
0一 
一—w7" 
二 < br>—
Te 
j: x


=L 

为定性尺 
0. 
8 0. 
b 0
. 
0・ 
0. 
0・ 
0・ 
0. 
0. 
0. 
阻1竖壁自燕对流壁面温度梯度 
f一0.O0145238m +0.021l167m。一0.1O0301m十0.670356(1≤G rx≤10 ) 
er(o)一{ 0・51867 (G >10‘) (7) 
 lm=l g( ̄-Grx) 
根据竖壁自然对流平均换热系数Nm(平均 Nm的计算公式为: 
Nus selt数)与Grx的关系计算,可以推得 

[【 O3 .7V9 82 +.0 48 3G rx亍 
(1≤Grx≤10 ) 
(8) 
(Grx>10‘) 
合 很好。 
10 范围内Nm的变化曲线,同时给出了实 
图3给出了层流状态下平均Nusse lt 
验值及相似解,可以发现,传统相似解在 
数Nm的相对误差e (Nm)的变化规律曲  
Grx较小时误差较大,而(4)式的理论解却 
线。可以看出,在整个层流状态下其相对误  
差是极小的,个别峰点应考虑实验的误差。 
采用(8)式求解,而在大Grx数下,无论是  
这也证明了采用边界层扩展方程(2)式及拟 
传统相似解,还是各种理论解均能与实验符 
常微分方程式(4)计算的正确性 


1997年第1期 能源研究与利用 
17・ 
国2屉漉枝惠1芷堑目l糕对流干均Nussel ̄敷 国3干均Nussel t最堤孟一线 
五、结论 参考文献 
1.热边界层扩展方程在大Grx下与传 
1. Schichting,H,Boundary—Layer 
统解及实验值是一致的 
The ory 7tR Edition.McGraw—Hill Book 
2.在中小Grx数下,换热 需用(8)式计 
Company,(1979). 
算 
2.FanMing.In oestigation On Expand— 
3.(8)式可以为大量工程实践来用 
e d Boudary dayer Equation.Journal of 
Therma1 Sc ience.Vo14,No.1.1995 

信息与动态・ 
邀瞧 酶啜溶瞧鑫乐 §镭奄 
——
江苏阜宁县啤酒厂技改节电一举数得 
江苏阜宁县啤酒厂加大技术改造力 度,应用节 
耗高、生产成本犬,库温超过规定指标,啤酒酸度 
能新产品,对生产设备进行节 电改造,摆脱了生产 
大,影响镑售。对前酿库风机进行技术改造,采用耐 
能耗高 质量差、 效益低的困境,今年该厂生产用电 台0.75kW节能型风机代替原6白2.2kW轴流风 
与去年同 期相比,在产值 产量同等情况下,减少用 
机,同时改变生产工艺,加桩进风管道直径,改接进 电140MWh,取得了显著的经济效益,受到了县三 
风口,将原靠近幕发器位置加长1米距离, 加快了 
电办表彰。 
冷却速度。技改后经比较,使用两台0.75kW节能 
阜宁县 啤酒厂年生产啤酒lokt,年用电量达 
风机后,冷却效果超过原6台2.2kw轴流风机,减 2GWh 前几年,因生产不景气,销售滑坡,放橙对 少装机容量l0.2kW,技改前吨啤酒耗电量 < br>生产用电考棱管理和设备技术改遣,遣成产品考棱 
196kWh,库强平均温度达卧5"C,技 改后,吨啤{酉 
超单耗,生产戚本高。为了提高产品质量,降低铺售 
耗电量为l82kW' h,减少电耗14kWh,库盟平均温 
价格,参与市场竞争,加强内部挖潜,向技改节能要 度为7℃ ,下降2.5"C。沮度下降,减少啤{酉的酸度- 
效益。在1996年z月份啤酒锗售旺季前,对垒 厂生 
使啤酒的质量进一步提高,改善了口感,锗售趋旺, 
产动力设备排队摸底.该厂酿造车 间前酿库原使用 经测算年节电量遮140MWh,每千瓦时电费按 
2.2kWh轴流降温风机6台, 合计装机容量 
0.60元计算减少电费开支8.4万元,节电技改使他 
13.2kW,该风 机属高能耗产品,风量小,加之进风 们尝到了盈『头。 (杨立窑捌钧) 
管道细,进风口又掌近蒸发 器.降温效果差,造成电 

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