对流换热系数与导热系数关系

关系式返回到上一层以下汇总了工程中最常见的几类对流换热问题的对流换热计算关系式，适用边界条件，已定准则的适用范围，特征尺寸与定性温度的选取方法。

一、掠过平板的强迫对流换热应注意区分层流和湍流两种流态 ( 一般忽略过渡流段 ) ，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部 Nu 数和平均 Nu 数。

沿平板强迫对流换热准则数关联式汇总注意：定性温度为边界层的平均温度，即。

二、管内强迫对流换热(1) 流动状况不同于外部流动的情形，无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段，两者的长度差别很大。

计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。

(2) 换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段，只有在流体的 Pr 数大致等于 1 的时候，两个边界层的入口段才重合。

理解并准确把握两种典型边界条件 ( 恒壁温与恒热流 ) 下流体截面平均温度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。

(3) 准则数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件，因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。

还需要特别指出，绝大多数管内对流换热计算式 5f 对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用类比率关系式效果可能更好。

下表汇总了不同流态和边界条件下管内强迫对流换热计算最常用的一些准则数关联式。

(4) 非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。

层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。

常热流层流，充分发展段，常壁温层流，充分发展段，充-充分发展段，气体，-充分发展段，液体，；紊流，充分发展段，紊流，粗糙管紊流，粗糙管三、绕流圆柱体的强迫对流换热流体绕圆柱体流动时，流动边界层与掠过平板时有很大的不同出现脱体流动和沿程局部 Nu 数发生大幅度升降变化的根本原因。

横掠单根圆管的对流换热计算式还被扩展到非圆管的情形。

关联式：定性温度为主流温度，定型尺寸为管外径，速度取管外流速最大值。

热传导微分方程导热又称热传导，是两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间，由于温度不同而引起的热量传递现象。

此时热量主要依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的运动进行传递，没有明显的物质转移。

热量可以通过固体、液体以及气体进行传导，但是严格来说，单纯的导热只发生在密实的固体物质中。

1 傅立叶定律傅立叶定律是导热理论的基础。

其向量表达式为:q gradT λ=-⋅ (2-1)式中:q ——热流密度，是一个向量，2/()Kcal m hgradT ——温度梯度，也是一个向量，℃/m 。

λ——导热系数，又称热导率，/()Kcal mh C ； 式中的负号表示q 的方向始终与gradT 相反。

2 导热系数（thermal conductivity ）及其影响因素导热系数λ（/()Kcal mh C）是热传导过程中一个重要的比例常数，在数值上等于每小时每平方米面积上，当物体内温度梯度为1℃/m 时的导热量。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1度（K ，°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示，单位为瓦/米·度，w/m·k （W/m·K,此处的K 可用℃代替）。

导热系数为温度梯度1℃/m ，单位时间通过每平方米等温面的热传导热流量。

单位是：W/(m·K)。

在上述假设前提下，建立煤层瓦斯流动数学模型的控制方程。

3．热传导微分方程推导 在t 时刻w 界面的温度梯度为xT∂∂ 在t 时刻e 界面的温度梯度为dx xT x T dx x x T x T 22∂∂+∂∂=∂∂∂∂+∂∂单位时间内六面体在x 方向流入的热流量为：dydz xT∂∂-λ； 单位时间内六面体在x 方向流出的热流量为：dydz dx x T x T ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂-22λ； 单位时间内六面体在x 方向流入的净热量为：dxdydz xT22∂∂λ图3-1 微分单元体各面上进出流量示意图Figure3-1 The figure of flow in and out on every surface of differential unit同理，单位时间内六面体在y 方向流入的净热量为：dxdydz yT22∂∂λ单位时间内六面体在y 方向流入的净热量为：dxdydz zT22∂∂λ单位时间内流入六面体的总热量为：dxdydz z T y T xT ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂222222λ (3-1)PΔzΔxΔyes xnb twWENSTB六面体内介质的质量为:dxdydz ρ单位时间六面体内热量的变化量（增加）为:Cdxdydz tTρ∂∂ 根据热量守恒定律:Cdxdydz t T dxdydz z T y T xT ρλ∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂222222C t Tz T y T x T ρλ∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂222222tTz T y T x T C ∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂222222ρλt T z T y T x T a ∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂222222Ca ρλ=α称为热扩散率或热扩散系数（thermal diffusivity ），单位m^2/s.λ:导热系数，单位W/(m·K)；ρ：密度，单位kg/m^3c ：热容，单位J/(kg·K).思考：如果单元体内有热源：单位体积单位时间的散热量是q 方程怎么变？4．岩石的热扩散率（导温系数) thermal diffusion coefficient ;thermaldiffusivity; thermal degradation岩石的热扩散率也叫或热扩散系数，表示岩石在加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力。

传热学简答题1．试述三种热量传递基本方式的差别，并各举1～2个实际例子说明。

（提示：从三种热量传递基本方式的定义及特点来区分这三种热传递方式）2．请说明在传热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响?如何防止?（提示：从传热过程各个环节的热阻的角度，分析水垢、灰垢对换热设备传热能力与壁面的影响情况）3. 试比较导热系数、对流传热系数和总传热系数的差别，它们各自的单位是什么?（提示：写出三个系数的定义并比较，单位分别为W/(m ·K)，W/(m 2·K)，W/(m 2·K)）4．在分析传热过程时引入热阻的概念有何好处?引入热路欧姆定律有何意义?（提示：分析热阻与温压的关系，热路图在传热过程分析中的作用。

）5．结合你的工作实践，举一个传热过程的实例，分析它是由哪些基本热量传递方式组成的。

（提示：学会分析实际传热问题，如水冷式内燃机等）6．在空调房间内，夏季与冬季室内温度都保持在22℃左右，夏季人们可以穿短袖衬衣，而冬季则要穿毛线衣。

试用传热学知识解释这一现象。

（提示：从分析不同季节时墙体的传热过程和壁温，以及人体与墙表面的热交换过程来解释这一现象（主要是人体与墙面的辐射传热的不同））1． 试解释材料的导热系数与导温系数之间有什么区别和联系。

（提示：从两者的概念、物理意义、表达式方面加以阐述，如从表达式看，导温系数与导热系数成正比关系(a=λ/c ρ)，但导温系数不但与材料的导热系数有关，还与材料的热容量(或储热能力)也有关；从物理意义看，导热系数表征材料导热能力的强弱，导温系数表征材料传播温度变化的能力的大小，两者都是物性参数。

）2． 试用所学的传热学知识说明用温度计套管测量流体温度时如何提高测温精度。

（提示：温度计套管可以看作是一根吸热的管状肋(等截面直肋)，利用等截面直肋计算肋端温度t h 的结果，可得采用温度计套管后造成的测量误差Δt 为Δt=t f -t h =)(0mH ch t t f -，其中H h H A hP mH λδλ==，欲使测量误差Δt 下降，可以采用以下几种措施：(1)降低壁面与流体的温差(t f -t 0)，也就是想办法使肋基温度t 0接近t f ，可以通过对流体通道的外表面采取保温措施来实现。

水的对流换热系数水的对流换热系数是描述流体内部传热能力的一个重要参数。

它反映了水在流动时，通过对流方式传递热量的效率。

对流换热系数的大小直接关系到传热速率以及工程设备的热设计。

1. 对流换热过程的基本概念对流换热是指通过流体的流动来实现传热的现象，可以分为自然对流和强制对流两种形式。

自然对流是指在无外加力作用下，由密度差异引起的流动；而强制对流则是利用外加力的作用使流体强制流动。

对流换热系数则是描述流体流动状态下传热能力的量化指标。

2. 影响水的对流换热系数的因素水的对流换热系数受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：2.1 流动速度：流动速度是影响对流换热系数的重要因素之一。

一般而言，流体的流动速度越大，对流换热系数也就越大。

因为高速流动可以增大接触面积，并且破坏热边界层，加强传热效果。

2.2 流体性质：水的物理性质对对流换热系数同样有显著影响。

水的导热系数较高，流体的热导率也就较高，对流换热系数也将较大。

2.3 流动状态：流动状态是指流体在管内的流动形式，如层流和湍流。

实验表明，当水在管内呈现湍流状态时，对流换热系数明显大于层流状态。

这是因为湍流能够增大流体的混合程度，提高传热效果。

2.4 传热面积：传热面积是指热量传递的表面积。

当传热面积增大时，给定流体流速下，对流换热系数也将增大。

3. 实际应用中对水的对流换热系数的估算在实际工程应用中，对于水的对流换热系数的估算，一般采用经验公式或者计算流体力学模拟方法。

3.1 经验公式：经验公式是通过大量研究和实验总结得到的经验关系。

对于水的对流换热系数，有很多的经验公式可供选择，如劳埃德公式、乌尔斯奥拉公式等。

这些公式通常基于实验数据，对于特定的流动状态、流速和传热面积大小，可以提供一个较为准确的估算值。

3.2 计算流体力学模拟方法：计算流体力学模拟方法是通过数值计算的方式，对流体流动和传热过程进行模拟和分析。

这种方法可以考虑更多细节，如流体粘性、湍流效应等。