原文标题戏称普朗特(Prandtl)是传热学界的“懂王”,被平台判断为涉嫌违反相关法律法规,已删除。
言归正传,有朋友觉得,上次聊得意犹未尽,今天在前文的基础上略作扩充。
我们谈到普朗特数(Pr)的物理含义是运动边界层厚度与热边界层厚度的相对比例,这是源于杨世铭陶文铨著《传热学》的解释。
但是仔细一想,这有一定的歧义。
随着流动和热的发展,运动边界层和热边界层的厚度会越来越厚,那这个相对比例就应该也是变化的。
然而,Pr数是一个物性参数的组合,Pr=动力粘度*比热容/导热系数,按理说是一个常数。
那么问题来了,这个比例到底是变化的,还是一个定值呢?
具体地,如果对于一个流动和热都充分发展的平板间流动,那么运动边界层和热边界层的厚度相等,都是平板间距的一半距离,那这意味着Pr数等于1吗?
显然存在一定的矛盾。那如何调和这个矛盾呢?
有趣的是,在Bejan所著的《Heat Transfer Handbook》中,将普朗特数看作是热发展段长度(XT)与运动发展段长度(X)之比:
这么一说,似乎就无懈可击了。正是因为普朗特越小,运动发展段长度相对于热发展段要更长,就自然有在入口的时候运动边界层更薄,也符合了陶文铨《传热学》中的论述。
在Bejan的书中,还给出了运动边界层发展段长度的估算方法:
这是一个大致的数字,在施利希廷(Schlichting)著的《边界层理论》一书中,对于圆管内流动,将这个比例进一步量化为0.04,从下图摩擦阻力系数的变化中可以更加可视化地理解入口段:
圆管内的局部阻力系数变化
而对于平板间流动,R. K. Shah总结出如下的计算式:
《Laminar Flow Forced Convection in Ducts. A Source Book for Compact Heat Exchanger Analytical Data》
举个例子,假如一个平直翅片散热器的长度(L)是100mm,水力直径是两倍板片间隙(2s)为8mm,假设板片间流速是4m/s:
通过EES软件查询,30摄氏度时空气的运动粘度0.000016[m^2/s],则雷诺数(Re)为4[m/s]*0.008[m]/(0.000016[m^2/s])=2000,那么流动入口段长度为0.011*2000*8[mm]=176[mm],这远大于散热器长度100!
因此对于这样的风冷散热器,流动入口段效应将十分重要,在选用摩擦系数和对流换热系数计算公式时,不能使用仅适用于流动充分发展的关联式——即标明Pr为∞的情况(流动发展段长度极短)。
与流动发展段长度估算对应的,自然我们想知道热发展段长度如何估算。
Bejan好人做到底,又给出了热发展段长度的量级估计如下:
但是,这仍然是一个相对粗略的值,我们想要更为具体。
所幸,伟大的R. K. Shah早就为我们铺平了道路,在他不朽的《Laminar Flow Forced Convection in Ducts. A Source Book for Compact Heat Exchanger Analytical Data》一书中,对于平板间的热发展段,无论是速度充分发展还是发展中的情况,均有无量纲热发展段长度如下:
Pr | XT/(Dh*Re*Pr) |
0.01 | 0.030 |
0.7 | 0.017 |
1 | 0.014 |
10 | 0.012 |
∞ | 0.0115 |
为了将上述长度可视化,再次贴出下图:
可以直观地看到,Pr数越小,其达到热充分发展时(表现为Nu数渐平)的横坐标无量纲长度越大。
同样,更具体地,以上面那个散热器为例,计算其热发展段长度。热发展段长度XT = 0.017*2000*0.724*8[mm]=197 [mm],可见也远大于散热器长度100 [mm]。
至此,热发展段与运动发展段长度之比,可进一步量化为197 [mm]/176 [mm]= 1.119,即二者在同一个数量级的意思。
总之,在以上的散热器实例中,不能简单地采用热充分发展的关联式(这是很容易找到的)进行计算,而应该采用流动和热边界层同时发展的数据(这个数据获取十分不易)。
例如,Bejan所著的《Heat Transfer Handbook》中提供适用于无限大等温平板间流动和热同时发展的关联式如下:
以上Nu数的关联式适用于等温平板边界条件,而对于恒热流平板边界条件是否适用呢?
更深的疑问是:对于电力电子散热常用的平直翅片散热器,其热边界条件究竟更接近于等温平板,还是恒热流平板?
这些疑问,还有待解答。