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对流换热

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传热学第六章对流换热

传热学第六章对流换热

6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体

u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界

对流换热

对流换热

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。

对流换热

对流换热

du
物理量
cp 表明流体的某些物理性质对传热的影响。 gl 3 2 t 表明因受热引起的自然对流对传热的影响。 2 h—传热膜系数；—导热系数； l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)； Cp—流体的比定压热容；—流体的膨胀系数。
Nu K Rea Pr b Gr c
应用条件： 特征尺寸l：管内径d 应用范围：Re＞104；0.7＜Pr＜16700；l/d>60； μ＜2 mPa· s 定性温度：黏度μw 取壁温，其余取流体进出口温 度的算术平均值，但由于壁温未知，处理如下 加热时： ( w )0.14 1.05 冷却时： ( w )0.14 0.95
1 2g 2 gt
强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头） 作用所产生的流动
h强制 h 自然
如空气自然对流的h值约为5-25 W/(m2· ℃)，而强制对流的h值可达 10-250 W/(m2· ℃)。
(2) 流动状态
当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传 递充分，且随着Re增大，靠近固体壁面的有效层流膜厚度变薄， 提高传热速率，即h增大，当流体为层流流动时，流体中无混杂 的质点运动，所以其h值较湍流时的小。
3 2

2
)c
对流传热中的特征数
特征数
Nusselt number
Reynolds number Prandtl number Grashoff number 特征数形式
特征数的物理意义
h
l

表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导 热系数与换热器壁几何尺寸的作用。
确定传热时流体的流动形态，并表明对换热 的影响。
固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界 层 ，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。

对流换热概念

对流换热概念

对流换热概念
1、定义
对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。

对流换热是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。

热对流（thermal convection/heat convection）又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，是传热的三种方式之一。

2、特点
对流换热：导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。

热对流：只能发生在流体(气体和液体)之中，且必然同时伴有流体本身分子运动所产生的导热作用。

3、形式
对流换热：流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。

相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。

热对流：自然对流；强迫对流和湍流，其中以湍流的热传递速率最高。

自然对流是由温度不均匀而引起流体内压强或密度不均匀，从而导致循环流动。

如煮水时水的上下循环流动。

传热学第五章对流换热

传热学第五章对流换热

1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的、分类 三、对流换热的机理 四、影响因素 五、研究方法 六、h的物理意义
一.定义
流体流过与其温度不同的固体表面时所发生的热量交换称为 对流换热。 对流换热与热对流不同， 既有热对流，也有导热； 不是基本传热方式。 对流换热遵循牛顿冷却定律：
qw tw
x
y
t∞
u∞
图5-1 对流换热过程示意
圆管内强制对流换热 其它形式截面管道内的对流换热 外掠平板的对流换热 外掠单根圆管的对流换热 外掠圆管管束的对流换热 外掠其它截面形状柱体的对流换热 射流冲击换热
外部流动
对 流 换 热
有相变
自然对流(Free convection) 混合对流 沸腾换热 凝结换热
大空间自然对流 有限空间自然对流
大容器沸腾 管内沸腾 管外凝结 管内凝结
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA） 连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒） 动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒） 能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组 先作假设： （1）仅考虑二维问题； （2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动； （3）常物性，无内热源； （4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。 以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定 律，对于这样一个开口系统，有：

传热学第五章对流换热

传热学第五章对流换热
第五章
§5-1 §5-2 §5-3 §5-4 §5-5 §5-6 §5-7 §5-8
对流换热
Convective heat transfer
对流换热概说 对流换热的数学描写 对流换热边界层微分方程组 对流换热边界层积分方程组 相似理论与量纲分析 管内受迫流动 横向外掠圆管的对流换热 自然对流换热及实验关联式
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA） 连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒） 动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒） 能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组 先作假设： （1）仅考虑二维问题； （2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动； （3）常物性，无内热源； （4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。 以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定 律，对于这样一个开口系统，有：
同理：（） dτ qm hout − qm hin ≈ ρcp (
y
H y + dy − H y =
∂t ∂v ⋅ v + ⋅ t )dxdydτ ∂y ∂y
（qm h)out − (qm h)in ∴ ∂t ∂t ∂u ∂v = ρ c p (u + v )dxdy + ρ c p t ( + )dxdy ∂x ∂y ∂x ∂y ∂t ∂t = ρ c p (u + v )dxdy (d ) ∂x ∂y
1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的概念。

对流换热

对流换热

表示自然对流： Nu = f (Gr, Pr) = CGrm Pr n
对流换热准则关系式计算换热量：（注意适用条件） 注意适用条件） 注意适用条件 例如，当流体在管内作受迫流动，且其
Prf ＝0.6～120时，可选用下述准则式：
层流 Re ＜2300时，
Nuf = 0.15 Ref
0.33
Prf
0.34
ρ
ηc p v pr = = λ a ——流体的动力粘性系数 [kg/(m·s)]；
c p ——流体的定压比热容[J/(kg·K)]；
λ
——流体导热系数[W/(m·℃)]； a ——热扩散率（m2/s）； a——运动粘度（m2/s）。
• 换热面的形状和大小及位置 影响流体的流动情况，边界层的形成、发展 产生显著影响，从而影响对流换热。 • 流体有无相变 发生流体集态改变（或相变），如液体受热沸 腾或蒸汽遇冷凝结的对流换热过程，称为相变换热。 相变换热较强烈。 问题：什么是对流换热？影响因素？
四、 相变换热
工程中常遇到的相变对流换热过程有：液体受热沸腾 和蒸汽放热凝结 （一）凝结换热 膜状凝结：蒸汽同低于其相应压力下的饱和温度的冷 壁面接触时，放出汽化潜热而凝结成液体附着在冷壁 面上。如果润湿性液体能很好地润湿壁面，在冷壁面 上铺展成一层完整的液膜，称为膜状凝结。 珠状凝结：非润湿性液体的蒸汽凝结时，凝结液体在 冷壁面上凝聚成一颗颗小液珠，而不形成连续的液膜， 这种凝结称为珠状凝结。
∂u ∂v ∂ (ρu ) ∂(ρv ) + =0 + =0 ⇒ 连续性方程： ∂x ∂y ∂x ∂y
y
方向的动量
而 x 方向和 克斯方程)
y
方向的动量方程为：(纳维－斯托

对流换热

对流换热

Pr
1/ 3

( ) 1 .0 2 5 a
1

1/ 3
Pr
1/ 3
它反映了速度边界层与温度边界层的相对大小,反映了流体动量传 递能力和热量传递能力的相对大小。
（4）格拉晓夫准则： g tl Gr 2
3
格拉晓夫准则的 数值反映了浮升 力和粘性力的相 对大小。
式中： — 流体的容积膨胀系数 ,1/K. 理想气体时为1/T, 蒸气、液体时实验测出，查表格. L —壁面定型尺寸, Δt—Δt = tw-t f ν—运动粘度
v
u y

u
2
y
2

1 dp
dx
2 2
u
t x
v
t y
a
t y
伯努利方程：

dp dx
u
du


dx
u x

v y
0
u
u x
v
u y

1 dp
dx
a

2
u y
2
2
u
t x
v
t y
t y
2

层流边界层对流换 热微分方程组： 3个方程、3个未知 量：u、v、t，方程 封闭
牛顿型流体：服从
u y
定律的流体。
非牛顿型流体：血液、泥浆、油漆等。
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (u , t w , t f , , c p , , , , l )
5-1
Hale Waihona Puke 当粘性流体 在壁面上流动时， 由于粘性的作用， t qx 流体的流速在靠 y w,x 近壁面处随离壁 面的距离的缩短 牛顿冷却公式：q x h x t w t f x 而逐渐降低；在 贴壁处被滞止， 处于无滑移状态 t t hx （即：y=0, u=0） tw tf x y w ,x tx y w,x 形成速度变化很 大的贴壁流体薄 注意：与第三类边界条件的区别，一类，二类？ 层.

对流换热

对流换热
第二节
一、对流换热的基本概念
对流换热
对流换热——由于流体在运动过程中质点发生相对位移而引起的热量转移。 流体和 固体壁面直接接触时彼此之间的换热过程， 它既包括流体位移时所产 生的对流，又包括流体分子间的导热作用。 工程上所研究的对流传热是指流体与固体壁面间的热交换， 一般称为对流换热 或对流给热，对流换热是导热和对流总作用的结果。 影响对流换热的主要因素： 流体动力学：自由运动——由于流体冷热部分密度不同所引起的运动叫做自由运 动，此时流体与壁面的热交换称为流体自由运动换热。 强制运动——受外力影响所发生的流体运动叫做受迫运动， 此时所进 行的热交换称为流体受迫运动换热； 流体流动的状态：层流与湍流； 流体的物性： , c p , , ； 放热面的形状和位置。
自然对流越强，实验证明自然对流判别层流与湍流依据为 Gr Pr 。 沿竖壁或水平圆管流动时，层流与湍流分界点为： Gr Pr 10
9
7
用相似准数方程描写自然对流换热过程，可写成： Nu f Gr Pr 或写成指数函数式为：Nub C Gr Pr b 式中：定性温度为 tb
n
（2-59） （2-60）
tw t f 2
，C 和 n 可查表 2-6
式（2-60）仅适用于恒温壁的无限空间自然对流。 试验证明（如左图） ： 对于距离为 a，高度为 H 的两个平行热竖壁间的空气层 与壁面间的自然对流换热，只要
a 0.28 ，即可作为无限 H
空间自然对流换热问题来处理。 如【例 2-7】用相似准数求换热系数。 （二）有限空间中的自然对流换热 分析有限空间流体自由运动换热的目的： 用于计算热量由高温壁通过封闭空间到低 温壁的对流换热系数和对流换热量。 特点：空间狭小，流体的受热与冷却在彼此靠得很近的地方发生，靠近热面的流体 受热上升，靠近冷面的流体冷却下降，两股气流互相干涉。因此，热流量是放热和冷却 受热综合结果。

传热学对流换热ppt课件

传热学对流换热ppt课件
总结词
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速

第7章 对流换热

第7章 对流换热

在相似理论指导下，建立与研 究对象相似的研究模型，在实 验室对模型进行研究，再把所 得结论推广到实际问题中。
一、相似的基本概念
1、几何相似
" " l1" l2 l3 ' ' Cl ' l1 l2 l3
Cl — 相似倍数（无量纲）
相似三角形
7.4 相似理论基础
2、物理相似
当两个物理现象相似时，在空间相对应的点与时间相对应的瞬 间，表征该现象特征的所有物理量必然各自保持一定的比例关系。
' ' w1'、w2、w3 —系统1各个对应时空点上的某一物理量； " " " w1、w2、w3 —系统2各个对应时空点上的某一物理量。
当系统一、系统二相似时，则有
w w w cw w w w
" 1 ' 1
" 2 ' 2
" 3 ' 3
7.1 对流换热概述 7.1.1 对流换热和牛顿冷却公式 牛顿冷却公式和换热系数
h(T f TW ) A hT A 或 q hT A W m 2 ℃
T f TW (或TW T f )

h
TW
流体与固体壁面的对流换热
式中, h 换热系数
对流换热的主要任务：
求解h具体表达式
7.1 对流换热概述 7.1.2 影响对流换热的主要因素
一、影响因素 1. 流动动力（起因）
自然对流换热 : 流速低, h小; 强迫对流换热 : 流速高, h大.
2. 流动状态
层流和湍流 :
Re , v , h .湍流时的h大于层流.

对流换热

对流换热

紊流 层流
紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。
3.流体有无相变： 相变 单相 单相换热：（single phase heat transfer） 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 (Phase change) (condensation) (boiling) 4.换热表面的几何因素：
对流换热
一、对流换热
1、概念： 流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。
y
tf u
u
q
tw
x
•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。
2、机理： 包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程
3、对流换热的特点：
（1）导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 （2）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动； 也必须有温差 （3）由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 壁面处会形成速度梯度很大的流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
强制对流
圆管内强制对流换热 内部流动
其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
对 流 换 热
无 相 变
外部流动 大空间 自然对流 混合对流 大空间沸腾
外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热
有限空间
有 相 变
沸腾换热 凝结换热
管内沸腾 管内凝结 管外凝结
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t
w
W/m2
q t
t = t w t f
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t Q 1 F
对流换热的热阻为1/ F ，单位为K/W。 单位面积对流换热热阻为 1 ，单位为(m2· K/W)。

第四章 对流换热..

第四章 对流换热..

（第三章已经推导出）
（2）由对流引起的
（3）内能的变化： 代入热力学第一定律，从而有：
第三节 边界层微分方程组



上一节导出的方程组虽然是封闭的，原则上可以求解， 但要针对实际问题求解上述方程组是非常困难的。直到 普朗特提出边界层这一概念后，方程组才有实质性的简 化。下面就运用数量级分析的方法简化对流换热微分方 程组。 数量级法分析：是指通过比较方程式中各项量级的相对 大小，把量级较大的项保留下来。而舍去量级较小的项， 实现方程式的合理简化。 对于上述微分方程组，假设为二维稳态，重力场可忽略 的强制对流换热问题。 设主流速度u、温度t、壁面长度l 以及速度边界层和热边 界层5个量的量级如下：

思路：取控制体，利用能量守恒和动量守恒建立微分方程 组结合单值性条件。 b. 建立边界层的积分方程组求解α （近似解法） c. 利用动量和能量的比拟方法（类比法） （2）实验研究方法： 用相似原理或量纲分析法，将众多的影响因素归纳成为数 不多的几个无量纲的准则，通过实验确定α 的具体关系式。 （3）两者的联系和区别（理论分析法和实验研究方法） 两种方法在解决对流换热问题上起相辅相成的作用。虽然 解析解不能求解各种各样对流换热问题，但能深刻地揭示 出各个物理量对换热系数的影响，而且也是评价其它方法 所得结果的标准和依据，而实验研究方法可以得到具体的 表达方式，而且是设计计算的主要计算式，是必须掌握的 内容。
6. 边界层（附面层）的概念 由于流体都存在着粘性，所以流体流过避免时，在壁面 附近的区域流体的温度和速度均发生了很大的变化。实 验研究表明，换热系数的大小主要取决于这一区域内流 体的流动情况，这一区域称边界层。 （1）速度边界层 如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法面方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 普朗特研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边 界层的概念。

第5章对流换热

第5章对流换热
应用条件：模型中发生旳现象与原型中发生旳现象 相同，才有可能应用于原型。
相同原理研究支配相同系统旳性质以及怎样用模型 试验处理实际问题旳一门科学，是进行模型试验旳 根据。但不是一种独立旳科学措施，只是试验和分 析研究旳辅助措施。
相同原理应用举例：汽车、飞机风洞试验
风洞试验旳基本原理是相对性原理和相同性原理。 根据相对性原理，汽车、飞机在静止空气中飞行所
8）量纲分析法——π定理
π定理旳内容：任一物理过程涉及有n个有量纲旳 物理量，如果选择其中旳r个作为基本物理量 ，则这一物理过程可由n个物理量构成旳n-r个 无量纲量所构成旳关系式描述。因这些无量纲 数是用π表示旳，故称为π定理。以数学形式可 表示如下。
设个物理量为x1、x2…… xn，则这一物理 过程可表达为一般函数关系式
0.034 0.0276
64.19W (m2 K )
准数 准数旳形式 准数旳物理涵义
Nu 努 赛 尔 特Nusselt
Nu=h·lc/λf
反应对流传热旳强弱 程度
Re 雷 诺 Reynolds
Re
lu
lu
流体流动形态和湍动 程度
Pr 普 兰 德 Prandtl
Pr cp
流体旳物理性质对对 流传热旳影响
热边界层厚度δt由流体中垂直于壁面上 旳温度 分布决定旳，与热扩散率α有关。
如果tW t 则热边界层不存在
5.1.2 相同原理
1、基本概念 1）同一类物理现象：用相同形式和相同内容旳微分
方程所描述旳物理量。 2）物理相同现象：同一类物理现象中，但凡相同旳
现象，在空间相应旳点上和时间相应旳瞬间，其 各相应旳物理量分别成一定旳百分比。
式中 h —平均对流传热系数，W/(m2K)； u —流体旳特征流速，m/s； d —管道直径，m； λ—导热系数 ρ —流体密度 cp —定压比热容 η — 动力粘度系数

对流换热

对流换热

11
1）连续性微分方程（质量守恒） u v 0 x y 2）动量微分方程（动量守恒）
纳维(N. Navier)-斯托克斯(G. G. Stokes)方程
y
dy
微元体
0
dx
x
2 2 u u u p u u x方向: （ u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y
2 外掠平板层流换热分析结果
对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体纵掠 等壁温平板层流换热：
24
特征数关联式 对于Pr0.6的流体掠过等壁温平板层流换热 hx x Nux 是以 x 为特征长 1/2 1/3 Nu x 0.332 Rex Pr 度的局部努塞尔数 u x 平均表面传热系数h 为 Rex l l 1 1 1/2 1/2 2 C l 2hxl h hx dx C x dx l 0 l 0 平均努塞尔数: hl 2hl l Nu 0.664Re1/2 Pr1/3 Nu 2 Nu x l 注意：上述关系式仅适用于Pr0.6的流体外掠等壁 温平板层流换热，定性温度为边界层的算术平均温度 1 tm t w t 2
q w, x
t y w, x
根据牛顿冷却公式：
qw, x hx (t w -t ) W m 2
t hx t w t y w, x
hx 为局部表面传热系数
W (m C)
2
1 h hx dA（固体表面温度均匀时） A A
10
假设： (a) 流体为连续性介质。
(b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化。 (c) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声 速的流体可以近似为不可压缩性流体。 (d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为 线性，遵循牛顿公式 ： u y (e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。 (f) 二维对流换热。

对流换热

对流换热

工学院机电工程教研室
传输原理
y
t∞
u∞
qw
tw
x
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传输原理
◆
特点 • (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递 过程 • (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏 观运动；也必须有温差 y t
∞
u∞
qw
工学院机电工程教研室
tw
x
传输原理
对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式：
y t∞ u∞
• t w ：壁温
t ：流体温度
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传输原理
壁面形状
水平圆管 d<0.2m 垂直管或板 l<1m
特征尺寸
外径 d 高度 l
C
1.09 0.53 0.13 1.36 0.59 0.10
N
1/5 1/4 1/3 1/5 1/4 1/3
(GrPr)范围
1-104 104-109 109-1012 <104 104-109 109-1012
6 105 f 1 Re1.8
3.圆形直管内强制层流时的对流传热系数 （1）只有在小管径、水平管、壁面与流体之间的温差比
较小时、流速比较低的情况下才有严格的层流传热。在 4 其他情况下往往伴有自然对流传热。当 Gr < 2.5 × 10 1 d 0.14 3 时，自然对流影响可忽略 Nu 1.86(Re Pr ) ( ) l w
Φ hA(t w t )
qw
twபைடு நூலகம்
x
q Φ A h (t w t )
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传输原理
表面传热系数（对流换热系数）
Φ h At w t

对流换热

对流换热

1 1 （

1
）

（
2

1
2
） 2
第二节
对流换热的基本方程组
2
u u p u （u v ) 2 x y x y
• 边界层内任一截面压力与 y 无关而等于主流压力
p dp x dx
dp du 由上式： u dx dx
边界层界限
湍流边界层 层流边界层
x
层流内层
第一节
对流换热的基本概念
层流边界层：边界层内的流动类型为层流 湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流 层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流 型为层流或湍流，其流动类型均为层流 注意：层流边界层和层流内层的区别
流型的判据——雷诺数Re (Reynolds number) 影响流动状况因素：流速u，管径d，流体的粘度，流 体的密度ρ。 du u 2 惯性力 定义雷诺数Re Re u 粘性力
对流换热方程式
f
第二节
说明：
对流换热的基本方程组
hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度 温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况（层 流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等 温度场取决于流场 速度场和温度场由对流换热微分方程组确定： 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程 为便于分析，只限于分析二维对流换热
第二节
假设：
对流换热的基本方程组
a) 流体为连续性介质 b) 流体为不可压缩的牛顿型流体 即：服从牛顿粘性定律的流体； 而油漆、泥浆等不遵守该定 律，称非牛顿型流体
u y
c) 所有物性参数（、cp、、）为常量 4个未知量:：速度 u、v；温度 t；压力 p 需要4个方程: 连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3)

第五章对流换热原理

第五章对流换热原理

Prw
是考虑在选用tf为定性温度时，热流方向不
同会对换热性能产生影响的一个修正系数。
C、m的值ห้องสมุดไป่ตู้下表所示
Re
C
m
140
0.75
0.4
401000
0.51
0.5
1000200000
0.26
0.6
2105 106
0.076
0.7
适用范围：0.7< Pr < 500； 1< Red < 106
气体横向掠过非圆形截面柱体的换热经验关系式 :
分析：采用公式（2） Nu C * Rem * Pr0.36* ( Prf )1/ 4
计算
Prw
如取来流温度为定性温度，即Tm=Tf=15℃，查物性 表 得 :=0.0253W/mK, =14.8210-6m2/s,
=1.217kg/m3, Pr=0.710. 查Tw=70℃时Prw=0.701;
另外，一般说来，后排管的换热要好于第一排管， 但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没 有多少差异了。实验结果表明，当管排排数超过10 排之后，换热性能就基本稳定不变了。
影响管束换热的因素除了Re、Pr数外，还有排列 方式、管间距、管束排数等 。
气体外掠管束对流换热的平均表面传热系数 按下式
计算
2、横掠管束换热实验关联式
管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按 照一定的的排列规则组合而成的。管束的排列方式 很多，最常见的有顺排和叉排两种 。
u∞
t∞ S1
u∞ t∞
S1
umax
d S2
(1)叉排管束
S2
d
(2)顺排管束
一般叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道 中流动，扰动更剧烈，因而叉排换热比顺排更强。 但顺排则流动阻力小，易于清洗。所以顺排和叉排 的选择要全面权衡。

对流换热

对流换热
对于湍流边界层其中层流底层的热量转移靠导热而在底层以外的湍流区主要依靠旋涡扰动的对流混合作用对于导热系数不高的流体由于对流方式传递热量比导热方式强故湍流换热热阻主要取决于层流底层的导热过程边界层的温度梯度在层流底层最大而在湍流区变化平缓
上节课主要内容
• 1.温度场的概念
• 2.导热基本定律——傅立叶定律
（2）流体的物理性质 流体的物理性质主要指流体的导热系数、比热、密度、粘度等，它们对对流换热影响较 大。 流体的导热系数大，层流层的热阻小，对流换热增强；比热和密度大，说明单位体积能 携带更多的能量，故以对流作用转移热量的能力也大；粘性大的流体，粘性剪应力大，边界 层增厚，对流换热效果降低。但是，流体的物理性质对对流换热的影响不是单一的结果而是 综合的结果。 （3）放热表面的几何尺寸、形状和位置 由于壁面的几何因素会影响边界层的形成和发展以及温度场、速度场的状况，从而影响 了对流换热。
对于垂直夹层，如 P53 图 2-14 所示。由于靠近热壁的气体向上流动和靠近冷壁的气体向 下流动，冷热两流股的流动边界层将相互结合，在一段距离内形成环流，在整个夹层内可能 有若干个这样的环流。但当夹层的厚度 δ 与高度 h 之比较大（＞0.3）时，则冷热两壁的自由 流动边界层将不会互相干扰，环流不会出现，此时夹层可按无限空间自由运动换热计算。此 外如果两壁面温差和高度都很小，以致 Gr ＜2000，可以认为夹层内没有流动发生，则通过 夹层的热量应按纯导热计算。
无限空间流体自由运动换热时，相似准数之间的关系可表示为：
Num C(Gr Pr)mn ………………………………….（1）
准数的角码 m 表示取流体与壁面的平均温度作为定性温度 tm

tf
tw 2
。式中常数 C 及 n
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u 0.4m / s
l 1.m1mm
3cm
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局部表面传热系数的变化趋势：
αx
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3、温度（热）边界层
（1）概念：当壁面与流体间有温差时，壁面附 近温度梯度很大的一薄层称为温度边界层（热 边界层）,其厚度用δt表示.
Tw
y 0, w T Tw 0
t — 热边界层厚度
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4、对流换热的分类
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二、对流换热计算公式----牛顿公式
aAt
tw
1
t
f
t R
A
或q
at
tw
1
t
f
t r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流
换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
u tf
A
tw
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4、对流换热的分类
按照不同的原因可分为多种类型 按是否有相变分为：有相变的对流
换热（沸腾换热和凝结换热）和无 相变的对流换热。 按流动原因分为：强迫对流换热和 自然对流换热。 按流动状态分为：层流和紊流对流 换热。 按换热面与流体的相对位置分为： 内部流动与外部流动换热。如:管内 或槽内和外掠平板、圆管、管束。
主流区
uf
uf
y
边界层界限
uf
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
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层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。
边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。
边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。
层内速度梯度很大。
4．了解常见的各种无相变对流换热过程（如管内强制对 流换热、管外横向绕流管束时的强制对流换热以及大空 间自然对流换热）的换热特点，会选择正确的准则关系 式进行不同对流换热过程换热量的计算。
5．掌握蒸汽膜状凝结换热的特点及影响因素。掌握大容 器沸腾换热的三个阶段及其特点，理解临界热负荷的工 程指导意义。
1）各种换热设备管内（或管外）流体与管内壁 间的换热;
2) 设备的散热等。
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换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
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3、对流换热的特点
(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层。
2. 流体流动的状态 紊流 层流
层流
无流体微团的横向脉动，法线方向为导热
过渡状态----
紊流
有流体微团的横向脉动
3.流体的热物性
导热系数、比热容c、动力粘度、密度
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4.流体有无相变 相变 单相 有相变 壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象 无相变 对流换热系数比有相变时小得多 5.换热壁面的几何因素
整个换热面积的对流换热热阻：
R
1
A
单位换热面积的对流换热热阻：r
1
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三、速度边界层和热边界层
1、流体的流态与雷诺数 （1）流态：层流和紊流（湍流） 层流：流速较小，流线相互平行，互不干扰，
流体平行于流道流动。 紊流：流速较大，各流线间相互交错和干扰，
流体各部分运动不规则。 过渡区：由层流至紊流的过渡状态。
换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引 起换热系数的变化。 影响对流换热系数的主要因 素可用函数形式表示为：
临界雷诺数
Rec
uxc
对直管内流动：
Re≤2200
稳定的层流区
2200 < Re < 104 过渡区
Re≥ 104
紊流区
对对纵掠平板：一般取:Rec=5×105
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2、速度边界层
（1）概念：紧邻固体壁面流速发生剧烈变化的薄层。其
厚度δ通常是指由壁面（流速为0）起沿垂直壁面的方
向到主流速度uf的99%处的距离。
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一、 对流换热的概念和性质
1、热对流：流体中温度不同的各部分间发生宏观 的相对位移时所引起的热量传递现象。是三种基 本传热方式之一。 2、对流换热：是指流体流经固体时流体与固体表 面之间的热量传递现象。 ● 对流换热与热对流不同，对流换热是热对流导热 综合作用的结果；不是基本传热方式 ● 电厂中对流换热实例：
本章主要内容
对流换热概述 流体无相变时的对流换热 流体有相变时的对流换热
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本章基本要求
1．掌握热对流和对流换热的概念，了解对流换热过程的 热传递机理。了解边界层的概念及特点。
2．掌握牛顿冷却公式及式中各量含义，其中关键是对流 换热系数α的确定；掌握影响对流换热的主要因素。
3．理解研究稳态无相变对流换热问题时所常用的准则数 及其物理意义。
y t , T Tw 0.99 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和
边界层内的温度分布
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（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量； 层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变
化； 层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热，
换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导
层流
紊流
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（2）流态的判别--雷诺数Re（雷诺准则）
流体的流动状况是由多方面因素决定的,流体物性（粘 度μ和密度ρ等） 、流速u和流道尺寸等都能引起流动 状况改变。通过进一步的分析研究，可以把这些影响
因素组合成一个无因次量---雷诺数来判别。
雷诺准数 的定义
Re
uL
uL
惯性力 粘性力
6．了解强化对流换热的主要方法及措施。P Nhomakorabeage 2
电厂中对流换热现现象
烟 气
蒸烟 汽气
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生活中对流换热现现象
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9-1 对流换热概述
自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。 某些方面研究比较详细，但由于数学上的困难；
使得在工程上可应用的公式大多数还是经验公式 （实验结果）
热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
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四、影响换热系数的因素
1.流体流动的动力因素 强制 自然
强迫对流
外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动， 流速是决定因素。
自然对流
流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无 整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。