第五章 对流换热(2013)解析

流体温度：tf(或t∞)； 固体表面温度：tw （tw≠tf） 流体与固体之间的对流换热热密度q ：
q (tw t f ) 或 q (t f tw)
(tw t f ) (tw t f )
(W/ m2) (W/ m2)
式中，为常数，称为对流换热系数，单位为W/(㎡·℃)，
物理意义：固体表面温度和流体温度之差为1℃时，单位面积 固体表面和流体的换热量。
动量方程 Du v2u N-S方程 D
能量方程 Dt a2t 付立叶方程 D
不可压缩流体动量方程：
Du
g
p
2u
Dt
v
如果=a，方程完全一样。因此他们的解也必定相同,也就 是说其速度分布与温度分布完全相同。故a 就有重要意义。
材料成型传输原理－－热量传输
普朗特数(Prandtl number)：
定义：u/u=0.99 处离壁的距离为边界层厚度。
边界层内：平均速度梯度很大；y=0处的速度梯度最大
由牛顿粘性定律： u
y
速度梯度大，粘滞应力大
材料成型传输原理－－热量传输
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区
边界层外：u 在y方向不变化，u/y=0
粘滞应力为零 — 主流区
主流区：速度梯度为0，=0；可视为无粘性理想流体；（欧拉方程）
● 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。
材料成型传输原理－－热量传输
二、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。
t t t
常见流体 ： Pr=0.6～4000
空气：
Leabharlann Baidu
Pr=0.6～1
液态金属较小 ：Pr =0.01～0.001数量级
材料成型传输原理－－热量传输
层流：温度呈抛物线分布 湍流：温度呈幂函数分布
湍流边界层贴壁处的温度梯 度明显大于层流。
T y
w,t
T y
w,L
故：湍流换热比层流换热强！
与 t 的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量
Pr
a
c p
cp
—动力粘度 Cp —定压比容 λ—（流体的导热系数）
运动粘度,粘性扩散的能力
a 热扩散率,热扩散的能力 c p
材料成型传输原理－－热量传输
粘性扩散的能力 pr 热扩散的能力
pr 1 pr 1 pr 1
v a 粘性扩散=热扩散 v a 粘性扩散>热扩散 v a 粘性扩散<热扩散
材料成型传输原理－－热量传输
牛顿换热公式可简记为：
q
t
t 1
W / m2
1
通常称作单位面积对流换热热阻（简称换热热阻）。
对于面积为A的接触面，有：
aAt W
如何确定及增强换热的措施是对流换热的核心问题。
材料成型传输原理－－热量传输
五、热边界层
1.动量边界层（复习）
材料成型传输原理－－热量传输
材料成型传输原理－－热量传输
第五章 对流换热
第一章 热量传输概述 第二章 导热基本定律和导热微分方程 第三章 稳态导热分析 第四章 非稳态导热分析 第五章 对流换热 第六章 辐射换热
材料成型传输原理－－热量传输
第一节 对流换热概述
一、对流换热的定义和性质
对流换热:流体各部分因产生相对位移而引起的热量传输现象， 它是一个伴随动量传输而进行的传热过程。
材料成型传输原理－－热量传输
三、对流换热的影响因素
由于对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方 式共同作用的结果。其影响因素主要有： (1)流动起因 (2)流动状态 (3)流体有无相变 (4)换热表面的几何因素 (5)流体的热物理性质
材料成型传输原理－－热量传输
四、对流换热的基本计算式
牛顿冷却公式:
h强制 h自然
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(2)流动状态
h湍流 h层流
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流：流体质点做复杂无规则的运动
(3)流体有无相变 h相变 h单相
单相介质传热:对流换热时只有一种流体。 相变换热:传热过程中有相变发生。
材料成型传输原理－－热量传输
相变换热又分为:
沸腾换热 (boiling heat transfer):物质由液态变为气 态时发生的换热.
和热量扩散的深度。
材料成型传输原理－－热量传输
流动状态不同，换热系数不同。
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热边界层的重要特性： 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。 边界层内沿厚度方向温度急剧变化，其内沿厚度方向的
传热是导热与流动换热的共同结果。边界层以外可认为 是无热量传递的等温区。
边界层区：流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运 动微分方程组描述（N-S方程） ——边界层概念的基本思想
粘性底层（层流底层）：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘 附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度。
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2.热量边界层 当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边
凝结换热 (condensation heat transfer):物质由气态变 为液态时发生的换热. 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 ）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距离的 缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
材料成型传输原理－－热量传输
从 y = 0、u = 0 开始，u 随着y
方向离壁面距离的增加而迅速增
大；经过厚度为 的薄层，u 接近 主流速度u
y = 薄层 — 流动边界层或
速度边界层
— 动量边界层厚度
材料成型传输原理－－热量传输
五、对流换热机理
1.对流换热机理 1）热量首先以导热形式从固体表面传递给附近的层流流体。 2）通过过渡区和紊流区的流体运动将热量带走。
换热的瓶颈一般为层流底层的导热。
2.对流换热的影响因素及分类
(1)流动起因 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生 的流动。 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的 流动。
界层（热边界层）。
y 0,w Tw T 0 y t ,w Tw T 0.99(Tw T )
Tw
厚度t 范围 — 热边界层
或温度边界层
t — 热边界层厚度
与t 不一定相等
材料成型传输原理－－热量传输
3.流动边界层与热边界层比较
在定义边界层厚度时,我们用u 和t, 在忽略体积力和压
力时,有：