10对流换热

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。

第五章 对流换热分析对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程。

牛顿冷却公式：)(f w t t h q -= W/m 2 A t t h f w )(-=Φ W 对流换热问题分析的目的是：确定h 的数值。

确定的方法有4种：分析法、类比法、实验法、数值法。

第一节 对流换热概述影响对流换热的因素很多，但不外是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素。

这些因素可归纳为以下五个方面：1．流体流动的起因按流体运动的起因不同，对流换热可区分分为：自然对流换热和受迫对流换热。

（1）自然对流（natural convection ）：流体因各部分温度不同而引起的密度不同，在密度差的作用下产生的流动。

（举例：暖气片）（2）受迫对流(forced convection)：在外力的作用下产生的流动。

（举例：泵、风机） 流动的起因不同，流体中的速度场也有差别，所以换热规律也不一样。

2．流体的流动状态层流(laminar flow)：流层间不掺混，依靠流体分子的热运动传递热量； 紊流(turbulent flow)：有流体微团的掺混，换热作用增强。

3．流体的热物理性质流体的热物理性质对于对流换热有较大的影响。

流体的热物性参数主要包括： ① 导热系数λ：λ大，则流体内的导热热阻小，换热强；② 比热容p c 和密度ρ：p c ρ大，单位体积流体携带的热量多，热对流传递的热量多； ③ 粘度μ：粘度大，阻碍流体流动，不利于热对流。

温度对粘度的影响较大。

④ 体积膨胀系数：在自然对流中起作用。

定性温度(reference temperature)：确定流体物性参数值所用的温度。

常用的定性温度主要有以下三种：1 流体平均温度f t2 壁表面温度w t （有时对物性参数作某种修正时，以此作定性温度）3 流体与壁面的平均算术温度：2wf t t +4．流体的相变流体发生相变时的换热有新的规律。

无相变时：主要是显热；有相变时：有潜热的释放或吸收。

粘性扩散能力 热扩散能力
体分子和流体微团的动量和
热量扩散的深度.
边界层型对流传热问题的数学描写
热边界层与流动边界层的关系
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度与热扩散率的相对大小; 运动粘度反映流体动量扩散的能力，其值越大流动边界层越厚 。 热扩散率反映物体热量扩散的能力，在其它条件相同的情况下，其值越大 ，热边界层越厚。 称为普朗特数 Pr 令 其物理意义为流体的动量扩散能力与热量扩散能力之比。 a 对于层流边界层，当 Pr
速度边界层
流体流过固体壁面时，由于壁面层流体分子的不滑移特性，在流 体黏性力的作用下，近壁流体流速在垂直于壁面的方向上会从壁 面处的零速度逐步变化到来流速度。
u y
t∞ u
δ 0
t
δ
tw x
垂直于壁面的方向上流体流速发生显著变化的流体薄层定义为 速度边界层（流动边界层）。
边界层型对流传热问题的数学描写

2 13 Nu x 0.332 Re1 Pr x
hx x u x
努塞尔(Nusselt)数
Re x
Pr

a

雷诺(Reynolds)数
普朗特数

注意：特征尺 度为当地坐标x
与 t 之间的关系
u const,

dp 0 dx
动量传递 热量传递 规律相似 =t
边界层型对流传热问题的数学描写
热（温度）边界层 Thermal boundary layer
当流体流过平板而平板的温度tw与来流流体的温度t∞不相等时，在
壁面上方也能形成温度发生显著变化的薄层，常称为热边界层。
当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时， 即 (t w t ) /(t w t ) 0.99 ，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面

对流换热分析通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。

1. 对流换热概述1.1. 定义及特性对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。

在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。

牛顿冷却公式q=ℎ×(t w−t f)是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。

研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。

1.2. 影响对流换热的因素(1)流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。

(2)流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。

(3)流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。

(4)流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。

(5)换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。

综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数ℎ=f u,t w,t f,c P,ρ,α,μ,l这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。

1.3. 分析求解对流换热问题分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。

同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。

在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数ℎx=λΔt x ðtðy w,xW/(m2·K)由上式可有ℎx=λΔθx ðθðy w,xW/(m2·K)其中θ为过余温度，θ=t w−t f。