第十一章 对流换热

（2）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下具 有最大值； （3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长 max愈来愈小， 17 即在坐标中的位置向短波方向移动。
在温度不变的情况下，由普朗克定律表达式求 极值，可以确定黑体的光谱辐射力取得最大值的 波长max与热力学温度T之间的关系，即 维恩（Wien）位移定律:
E 光谱发射率（光谱黑度）： Eb
发射率与光谱发射率之间的关系为 0 Eb d Eb 对于灰体，＝常数，
0
Eb d
Eb

24
实际物体的光谱辐射力随波长的变化规律不同于黑 体和灰体，实际物体的光谱发射率是波长的函数。
在工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式 计算：
0, 1 0, 1
镜体或白体：
透明体：
1
1 1
6
镜反射与漫反射：
镜反射的特点是反射角等于入射角。漫反射时被 反射的辐射能在物体表面上方空间各个方向上均匀分 布。
产生何种反射决于物体表面的粗糙程度和投射辐 射能的波长。当物体表面的粗糙尺度大于投射辐射能 的波长时，就会产生漫反射；当物体表面粗糙尺度小 于投射辐射能的波长时，就会产生镜反射，比如高度 抛光的金属表面就会产生镜反射。 7
14
定向辐射力与辐射力之间的关系：
E
2
E d
定向辐射力与辐射强度之间的关系：
E L cos
辐射力与辐射强度之间的关系：
E
2
L cos d
15
11-2 黑体辐射的基本定律
1.普朗克（Planck）定律 2.斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 3.兰贝特（Lambert）定律

教材上的思考题第8章??思考题?1．试说明热传导（导热）、热对流和热辐射三种热量传递基本方式之间的联系与区别。

? 区别：它们的传热机理不同。

导热是由于分子、原子和电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，其本质是介质的微观粒子行为。

热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象，其本质是微观粒子或微团的行为。

辐射是由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象，其本质是电磁波，不需要直接接触并涉及能量形式的转换。

?联系：经常同时发生。

?2．试说明热对流与对流换热之间的联系与区别。

?热对流是由于流体的宏观运动，致使不同温度的流体相对位移而产生的热量传递现象。

对流换热是流体与固体表面之间由热对流和导热两种传热方式共同作用导致的传热结果。

3. 从传热的角度出发，采暖散热器和冷风机应放在什么高度最合适？??答：采暖器和冷风机主要通过对流传热的方式使周围空气变热和变冷，使人生活在合适的温度范围中，空气对流实在密度差的推动下流动，如采暖器放得太高，房间里上部空气被加热，但无法产生自然对流使下部空气也变热，这样人仍然生活在冷空气中。

为使房间下部空气变热，使人感到舒适，应将采暖器放在下面，同样的道理，冷风机应放在略比人高的地方，天热时，人才能完全生活在冷空气中4．在晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2℃。

试解释这种现象。

但在阴天或有风的夜晚（其它条件不变），草地却不会披上白霜，为什么？答：深秋草已枯萎，其热导率很小，草与地面可近似认为绝热。

草接受空气的对流传热量，又以辐射的方式向天空传递热量，其热阻串联情况见右图。

所以，草表面温度t gr 介于大气温度t f 和天空温度t sk 接近，t gr 较低，披上“白霜”。

如有风，hc 增加，对流传热热阻R 1减小，使t gr 向t f 靠近，即t gr 升高，无霜。

阴天，天空有云层，由于云层的遮热作用，使草对天空的辐射热阻R 2增加，t gr 向t f 靠近，无霜（或阴天，草直接对云层辐射，由于天空温度低可低达-40℃），而云层温度较高可达10℃左右，即t sk 在阴天较高，t gr 上升，不会结霜）。

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。

①、速度边界层（Velocity boundary layer）
1904年由德国科学家普朗特（L.Prandtl）提出
定义：u=0.99u 处离壁的距离为
速度边界层厚度 。
流场划分为两个区：
边界层区：反映流体动量传递的渗透程度。 ― 粘性力起主导作用 ― 流体流动遵循粘性流体运动微分方程（N-S方程） ― 存在层流和紊流流动状态，速度梯度很大
l
贝克列准数：
Pe ul lu Cp Pr Re
Pr1 Pr2
普朗特准数Pr
Pr= Cp
上面分析可以将描述对流换热的微分方程组转化为准则数方程：
f（Ho，Fr，Eu，Re，Fo，Pe，Nu ）=0
将有关准数变形、整理，还可以得到新的准数
如：.
Ga
Fr Re2
gl u2
ul
2
h : w / m2 0C MT 3 1
v:m/s
LT 1
: kg / m3
ML3
: w / m k LMT 3 1
: Pa s L1MT 1 l : m L
Cp : j / kg 0C L2T 2 1
gT : N / kg
LT 2
（1）以1 对v流al换bh热c 系d 数h和(1)基本量纲1组 成hl Л 1N函u 数，即
数值解：参阅 陶文铨著，《计算传热学的近代进展》
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2.2.2.4．对流换热问题如何分类？（掌握）
外部
无 相
强制对流
内部 圆管内强制对流换热 非园管
无限大空间
对
变 自然对流 有限空间
流
混合对流
池沸腾
换
沸腾换热
热
有 相
管内沸腾 水平管外