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第八讲对流换热convection heat transfer§8-1 对流换热基本概念一、对流换热过程：对流：是指物体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递方式，必有导热。
对流换热：流体流过一物体表面时对流与导热联合作用的热量传递过程。
牛顿冷却定律Newton’s law of coolingwt ft 如：f w t t t -=∆th q ∆=hAtt Ah qA Φ1∆=∆==为对流传热热阻hA R 1=二、流动边界层1. 流动(速度)边界层：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度(boundary layer thickness):达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离边界层的特点(1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.•分界点Re c=3X105~3X106,一般可取Re c=5X105•在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2) δ=δ(x) x↑δ(x)↑(3) δ(x) << x δ(L) << L(4) 流场分为: 主流区(undisturbed flow regime)(potential)边界层区(boundary regime)三、换热微分方程无滑移边界条件（傅里叶定律）0=∂∂-=y yt A λΦ变化率贴壁处流体的法向温度式中：→∂∂=0y y t 联立，得与牛顿冷却公式t hA ∆=Φ0=∂∂-=y y t t h ∆λ四、影响对流换热的因素⏹流动产生的原因：受迫流动，自然对流⏹流体流动情况：层流（Re<2300），紊流（Re>10000）⏹流体的物性：ρ、λ、η等⏹换热面的形状和位臵⏹流体集态的改变§8-2 对流换热基本方程组1.连续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u •2.动量方程(momentum equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222y v x v y p F y v v x v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ητρητρ惯性力(inertial force)体积力(body force)压力梯度(pressuregradient)粘性力(viscous force)3.能量守恒方程（energy equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t x t a y t v x t u t τ能量变化对流项导热项以此五个量为分析基础。
第一章绪论1、热流量(heat transfer rate)单位时间内通过某一给定面积的热量2、热流密度(heat flux ):通过单位面积的热流量。
3、热对流(heat convection):流体的宏观运动引起的流体各部分之间的相对位移，冷热流体相互渗透导致的热量传递过程。
4、对流传热(convective heat transfe):流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程。
自然对流(natural convection):流体冷热部分的密度不同引起。
强制对流(forced convection)：流体的流动是由于水泵风机或其他压差作用热辐射(thermal radiation)：因热的原因发出辐射能辐射传热(radiation heat transfer是指物体辐射与吸收过程的综合结果。
黑体Black body:能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。
10、传热过程overall heat transfer process：)是热量在被壁面隔开的两种流体之间的热量传递过程。
11、传热系数k(overall heat transfer coefficient)12、牛顿冷却公式h=表面传热系数convection heat-transfer eoeffieient, W/m2・°Celectromag netic radiati on 电磁辐射vacuum 真空con versi on 转换斯忒藩-玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann Law Stefa n-Boltzma nn con stant£ - emissivity 发射率(黑度) Stefa n-Boltzma nn con sta nt_8 2 4 - 5.67 10 W/m K稳态传热steady-state heat transfer热阻Thermal resista nee第二章稳态热传导Steady-state heat con duct ion1、温度场Temperature field绝热材料Heat insulating materials2、热扩散率thermal diffusivity , m2/s3、边界条件Boundary Conditions4、一维稳态导热One-dimensional steady state heat conduction5、单层平壁Single plane wall So：(t2 "t i)6单层圆筒壁t 2=t i-q「'i十?n^ln(r/r i)R =ln( J rj _ ln( d? d i) 一2- - l5、6、7、8 过余温度 excess temperature 日 =t _ t^九A ce总 ch[m(H - x)] 0ch (m H )18 "°ch(mH)(atX —H )7 肋片 Fin --- extended surface on circular tube or plane wall 依附于基础表面的扩展 表面 矩形的rectangular2 hP①=XAd6dxhP= ---- 日 0th (m H )」m9肋效率Fin efficiency :实际散热量：假设整个肋表面处于肋基温度下得散热量第三章 非稳态导热Un steady heat co nduction 温度随时间变化的导热1正规状况阶段regular regime 不受初始温度的影响 Initial condition 初始条件 Boundary condition 边界条件 2 毕渥数 Biot Number h 心； R Bi = ---- = —— = —z九 仃h R h3、 集中参数法 Lumped-heat-capacity method4、 傅里叶数 Fourier number 指数曲线 exponential curve 时间常数 time constant5、 热电偶thermocouple 适用性，适用范围 即plicability 特征长度 characteristiclen gth丄 丄一a (V/A)2t - J _e-[hA/FcVkFot ° - t :：时间常数：When . - ：?cV/ hABi =— -0.16 海斯勒图 Heisler Charts Fo>0.27、 离散方程 discretization equation 内节点 inner grid points 8、 热平衡法 Thermal balanee method9、- 0ewns■日-r = exp 「BV F O V )-0 t -tot t• Im4,n m,ny x△ x=巴. 次人门1-t mn :吕!匸！mn =0xyyJJ1 J a・r —f1 *--1 -m ，n -im’nr 1 Im-1,nm+1,n2・t1 (2 t t2 xcwX n 、0【mn = ；(2tm」,n +°门屮 +[mnj + 十丿=U4丸 k夕卜部角点 the exterior corner node2・t=l(t= +t + Xfn + 24 xqim,nm -1,nm,n -122九 人内部角点 the interior corner node第五章对流传热1、强制对流 forced convection 自然对流 natural/free convection 相变 phase change 层流 laminar 湍流 turbulent 管束 tube banks 竖向的 vertical 水平的 horizontal 局部表面传热系数 local convective heat transfer coefficient 粘性 viscous 质量流量 mass flow 焓 enthalpy 动量 momentum2流动边界层Flow boundary layer ：流体的速度随着离开壁面距离的增加急剧增 加，经过一个薄层后速度增长接近主流速度。
对流换热系数对流换热是一种重要而广泛应用的传热方式，在工程领域中有着重要的应用。
对流换热系数是描述对流换热过程性质的一个重要参数，它决定了换热的效率和速率。
本文将介绍对流换热系数的定义、影响因素以及计算方法。
定义对流换热系数（Convective Heat Transfer Coefficient）是指在流体与物体之间的传热过程中，单位面积上的热量传递量与温度差之比。
对流换热系数的单位是[W/(m^2·K)]，表示单位面积上的热量传递量（单位是W）在温度差（单位是K）下的变化量。
影响因素对流换热系数受多个因素的影响，下面列举了一些主要因素：流动状态流动状态是指流体在传热过程中的流动形态。
一般而言，对流换热系数在湍流状态下较大，而在层流状态下较小。
湍流状态下，流体的速度分布较为复杂，产生的湍流涡旋有利于热量的传递，因此对流换热系数增大。
层流状态下，流体速度分布较为均匀，湍流涡旋较少，导致传热速率较慢，对流换热系数较小。
流体性质流体的性质也会对对流换热系数产生影响。
一般而言，流体的导热性能越好，对流换热系数越大。
此外，流体的物理性质如密度、粘度等也会对对流换热系数产生影响。
例如，流体的粘度越大，对流换热系数越小。
流体属性流体属性指的是流体的运动特性，包括流速、改变流动方向的装置、表面粗糙度等。
流速越大，对流换热系数越大。
在流体通过管道或管束等装置时，装置的几何形状和尺寸也会影响对流换热系数。
表面粗糙度越大，对流换热系数越大。
温度差温度差是指流体和物体之间的温度差值。
温度差越大，对流换热系数越大。
这是因为温度差越大，传热驱动力越大，导致对流换热系数增大。
计算方法计算对流换热系数的方法有多种，常用的包括理论计算方法和实验测量方法。
理论计算方法理论计算方法是基于基本的传热方程和传热模型进行计算。
常用的理论计算方法有经典的Dittus-Boelter公式、Gnielinski公式以及Churchill-Bernstein公式等。
第五章对流换热 convection heat transfer§5-1 对流换热概说对流换热:流体流过固体壁面情形下所发生的热量互换.对流换热以牛顿冷却公式为其大体计算式,既t h q ∆=或关于面积为A 的接触面 m t hA ∆=Φ其中△t 为换热面积q 及F 老是取正值,因此△t 及△t m 也老是取正值.一 对流换热的分类①强制对流(forced convection):由于泵,风机,或压差等流体本身之外的动力产生的流动换热.②自然对流(natural convection):由于流体的密度差产生的浮力作用产生的流体流动换热.③混合对流(mixed convection):自然对流和强制流动换热并存.单相介质传热:对流换热时只有一种流体.相变换热:传热进程中有相变发生.物质有三态,固态,液态,气态或称三相.相变换热有分为:沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变成气态时发生的换热. 凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变成液态时发生的换热.熔化换热(melting heat transfer)凝固换热(solidification heat transfer)升华换热(sublimation heat transfer)凝华换热（sublimation heat transfer ）3.按流动形式分层流流动换热(laminar heat transfer)湍流流动换热(turbulent heat transfer)管内(槽道内)流动(flow in ducts )外部绕流(around vertical plant)对流换热的分类表⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧管内凝结管外凝结凝结换热管内沸腾大容器沸腾沸腾换热有相变有限空间自然对流大空间自然对流自然对流射流冲击换热的对流换热外掠其他截面形状柱体热外掠圆管管束的对流换热外掠单根圆管的对流换外掠平板的对流换热外部流动对流换热其他形状截面管道内的圆管内强制对流换热内部流动强制对流混合对流无相变对流换热二、对流传热的大体公式化 ( h 的确信方式)t h q ∆= 2m Wt hA qA ∆==Φ W 无滑移边界条件：0=∂∂-=Φy y tA λ 令上两式相等那么有：0=∂∂-=∆y y tA t Ah λ 那么：0=∂∂∆-=y y tt h λ§5-2 对流换热问题的数学描述一、假设条件为简化分析,关于阻碍常见对流换热问题的要紧因素,做如下假设(1)流动是二维的;(2)流体为不可紧缩的牛顿行流体;(3)流体物性为常数,无内热源;(4)流速不高,忽略粘性耗散(摩擦损失) ;(5)二维二、能量方程的推导.dx dy y t t dy y v v p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+tdxvc p ρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-dx X t x t dy 22λdy dx x t t dx x u u c p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+ρO y利用热力学第必然律有导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增在x 方向上导入的净热量有dxdy xt 22∂∂+λ 在y 方向上导入的净热量dxdy y t 22∂∂+λ在x 方向上流入的净热量dxdy x t u c dxdy x u t c dxdx x t x u x t udx tdx x u ut dy c tdy uc dy dx x t t dx x u u c tdy uc p p p p p p -∂∂-∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂+∂∂+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+-ρρρρρρρ 略去高次项后得 dxdy x t u xu t c p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-ρ 同理得Y 方向上的净热量 dxdy y t v yv t c p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-ρ 单位时刻内的微元操纵体内的焓增 τρ∂∂t dxdycp 代入热力学第必然理得 dxdy y t v y v t x t u x u t c dxdy yt dxdy x t t dxdyc p p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂+∂∂-∂∂+∂∂=∂∂ρλλτρ2222⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂y t v x t u y v x u t y t x t c t p 2222ρλτ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t xt a y t v x t u t τt a D Dt 2∇=τ zw y v x u D D ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=ττ 三.对流换热微分方程组.1.持续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u 2.动量方程(momentum equation)⎪⎫⎛∂+∂+∂-=⎪⎫ ⎛∂+∂+∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222v v p F v v v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ηρητρ 3.能量守恒方程（energy equation ） ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t xt a y t v x t u t τ0=∂∂∆-=y y tt h λ未知量：u, v, p, t, h方程： 五个方程组是封锁的,可求解实际的变量只有四个u, v, p, t , 在方程上与h 无关.强烈非线性四.定解条件.1.初始条件2.边界条件:第一类边界条件,规定边界上流体的温度散布.第二类边界条件,给定边界上加热或冷却流体的热流密度.为何不用第三类边界条件？五、求解方式⏹解析解：解微分方程组⏹数值解：:用运算机⏹实验方式（理论分析法与实验相结合）⏹比拟法六、阻碍对流换热的因素●流速：V- h- V=0 无对流●物性－表征物质物理特性的物理量密度（density)，粘性（viscosity)，热导率(thermal conductivity)，比热（specific heat capacity)等其他条件相同时，不同的流体换热量不同，确实是因为物性不同●流体及壁面温度定性温度（reference temperature ）●流动状态，层流，紊流关于管流 ⎪⎩⎪⎨⎧≥≤≤≤44101022002200Re Re Re平板Re =2×105到3×106之间，一样取5×105 ●壁面形状,位置形状(平板,圆管)位置(横放,竖放,管内,管外)层流 过渡流（旺盛）湍流综上所述()()⋅⋅⋅=∆Φ=⋅⋅⋅=ΦwfpwfpttcuftAhttcuf,,,,,,,,,,,,ληρληρ特点尺度（character dimension）定性温度（reference temperature）Newton cooling law 只是一重处置方式,既将许多矛盾都加在h上。
