对流传热原理
热传递热量通过流体的对流传递
热传递热量通过流体的对流传递热量传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
在介绍流体的对流传热之前，先了解一下传热的基本知识。
一、热传递的基本原理热传递是能量的传递方式，能量从高温物体到低温物体传递，使两者达到热平衡。
热传递的方式有传导、对流和辐射三种。
（一）传导传导是指通过物质内部的分子热振动传递热量的过程。
热量沿温度梯度从高温区域传递到低温区域。
传导率取决于物质的导热性质和温度梯度。
常见的固体和液体都能够传导热量。
（二）对流对流是指通过物体表面上的流体（比如液体或气体）的运动传递热量的过程。
对流分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指在温差的驱动下，流体由于密度的差异而形成的运动。
比如，加热后的空气密度减小，上升形成对流。
强制对流是指通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流可以通过风扇或泵等设备来搅动流体，加速热量传递。
（三）辐射辐射是指通过电磁波将热量从发光物体传递到其他物体的过程。
辐射可以在真空中传递，无需介质传递。
常见的辐射形式有电磁波、红外线和可见光等。
二、流体的对流传热流体的对流传热是指通过流动的流体传递热量的过程。
流体的对流传热包括自然对流和强制对流。
（一）自然对流传热自然对流传热是指在温差作用下，流体通过密度的差异而产生的运动，从而传递热量。
自然对流传热的机理是流体受热后密度下降，体积膨胀，从而使流体向上运动。
同时，冷却后的流体密度增加，使流体向下运动。
形成这种循环运动的力称为浮力。
自然对流传热最常见的例子就是热气球。
在热气球中，空气被加热后变得轻，从而使热气球得以上升。
（二）强制对流传热强制对流传热是通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流传热的机理是外部力搅动流体，使流体中的高温部分与低温部分混合，加速热量的传递。
在实际工程中，强制对流传热是非常常见的应用。
比如，利用风扇将空气吹向加热元件，加速热量传递。
对流换热定义
对流换热定义对流换热是指在流体中，由于温度差异而引起的热量传递现象。
在自然界中，对流换热是非常常见的现象，例如太阳辐射地球表面，地表受热后会产生对流现象，形成风。
在工业生产中，对流换热也是非常重要的一种热传递方式。
对流换热的基本原理是热量从高温区域向低温区域传递，这个过程中，流体会发生密度变化，从而产生对流现象。
对流换热的传热速率与流体的流速、流体的物理性质、流体的温度差等因素有关。
对流换热可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于温度差异引起的流体自然运动，例如太阳辐射地球表面，地表受热后会产生对流现象，形成风。
强制对流是指通过外力作用使流体产生运动，例如在工业生产中，通过泵等设备将流体强制循环，从而产生对流现象。
对流换热在工业生产中有着广泛的应用。
例如在化工生产中，对流换热器是非常重要的设备之一。
对流换热器可以将高温的流体通过管道传递到低温的流体中，从而实现热量的传递。
对流换热器的传热效率与其结构设计、流体的流速、流体的物理性质等因素有关。
在对流换热器的设计中，需要考虑到流体的流速和流体的物理性质。
流速越大，对流换热的传热速率越快，但是流速过大会导致流体的压力损失增大，从而影响对流换热器的效率。
流体的物理性质也会影响对流换热器的传热效率，例如流体的热导率、比热容等因素都会影响对流换热器的传热效率。
除了对流换热器，对流换热在其他领域也有着广泛的应用。
例如在空调系统中，通过空气的对流换热来实现室内温度的调节。
在汽车发动机中，通过水循环来实现对发动机的冷却，从而保证发动机的正常运转。
对流换热是一种非常重要的热传递方式，广泛应用于工业生产、空调系统、汽车发动机等领域。
在对流换热的应用中，需要考虑到流体的流速、流体的物理性质等因素，从而实现对流换热的最佳效果。
化工原理 传热2
Q Wh ( H h1 H h2 ) Wc ( Hc 2 Hc1 )
焓，kJ/ kg。（下标c和h分别表示冷流体和热流体，下标 1和2表示换热器的进口和出口）。 上式即为换热器的热量衡算式。 若换热器中两流体无相变化，且流体的比热可视为 不随温度而变或取为平均温度下的比热时，热量衡算式 可以表示为：
冷流体 水 水 水 水 水 有机溶剂 水 气体 水 水沸腾 轻油沸腾 热流体 水 气体 有机溶剂 轻油 重油 有机溶剂 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 低沸点烃类冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 总传热系数 K W/(m2· ℃) 850 ～ 1700 17 ～ 280 280 ～ 850 340 ～ 910 60 ～ 280 115 ?40 1420 ～ 4250 30 ～ 300 455 ～ 1140 2000 ～ 4250 455 ～ 1020
T
Tw
f
4
膜假设：所有的传热阻力集中在厚度为的一层膜中， 其中的传热方式为导热，则对于微元传热面积dS
令
则
dQ dS(T Tw ) f
f
T TW dQ dS(T TW ) 1 dS
其中称为对流传热系数 ，单位为W/(m2· ℃)或W/(m2· K)， 上式称为牛顿冷却定律。 通常，管内的对流传热系数表示为 i，管外的对流 传热系数表示为 o；热流体的温度为T，冷流体的温度 表示为t。
9
二、总传热系数 以间壁式传热为例
T So Tw
b Si tw i t
总传热量等于各分步传热量，即
Q KS (T t ) o S o (T TW )
b
S m (Tw tW ) i Si (tW t )
热传导和热对流热能的传导和对流的原理
热传导和热对流热能的传导和对流的原理热传导和热对流：热能的传导和对流原理热能传导和对流是热力学中重要的概念，用以描述热量如何从一个物体传递到另一个物体的过程。
本文将详细介绍热传导和热对流的原理，探讨它们在日常生活和工业应用中的重要性。
一、热传导的原理热传导是指热量通过直接接触而从一个物体传递到另一个物体的过程。
它的原理可以用分子动理论来解释。
在物体中，分子不断的振动和碰撞，而这些振动和碰撞会导致能量传递。
当两个物体接触时，它们的分子会相互传递能量，使得温度差异逐渐减小，最终达到热平衡。
热传导的速度取决于多个因素，其中最主要的是以下几点：1. 物体的热导率：热导率越大，热传导速度越快。
不同物质的热导率各不相同，例如金属通常有较高的热导率，而绝缘材料则具有较低的热导率。
2. 温度差异：温度差异越大，热传导速度越快。
3. 物体的形状和尺寸：物体形状和尺寸的不同会影响热传导的路径和速度。
热传导在日常生活中随处可见。
例如，我们可以通过接触热杯子来感受到热传导，因为杯子中的热量会传递到我们的手中。
此外，热传导也是导致建筑物内部温度不断变化的原因之一。
当阳光照射到建筑物表面时，热量会通过传导进入室内空气，导致室内温度上升。
二、热对流的原理热对流是指热量通过流体的运动传递的过程。
当流体被加热后，其密度会减小，上升的热量会带动周围较冷的流体下沉，从而形成对流循环。
这种对流循环可以加速热量的传递，使得质量更大的热量被分散到周围环境中。
热对流的速度和强度与流体的性质和流动条件密切相关。
以下因素对热对流的影响较大：1. 流体的性质：流体的粘度和密度都会影响热对流的传输速度。
粘度较低的流体和较稀薄的流体通常具有较快的热对流速度。
2. 温度差异：温度差异越大，热对流速度越快。
3. 流体的流动条件：流体的流速、流动的方向和方式都会影响热对流传输的速度和路径。
热对流在自然界中广泛存在，例如热气球的升空过程。
当气球内部加热时，热量通过对流的方式传递到气球外部，从而导致气体的密度变化，使得气球能够升空。
传热学-5 对流传热原理
5-4 相似原理简介
1）几何相似 对应的长度量成固定比例，对应的角度相等。
若（1）（2）相似
a' a ''
b' b ''
c' c ''
h' h ''
' ''
P' P ''
CF
5-4 相似原理简介
4）初始条件和边界条件相似 保证定解条件一致。
几何相似是运动相似和动力相似的前提； 动力相似是决定流动相似的主要因素（保证）； 运动相似是几何相似和动力相似的表现。
y
u
u
tw x
5-1 对流传热概述
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。
5-1 对流传热概述
偏微分方程+定解条件
速度场和温度场
表面传热系数h
2 实验法
相似原理指导下通过实验获得表面传热系数的 计算式（是目前工程计算的主要依据）。
对流传热问题的研究方法
3 比拟法
通过研究热量传递与动量传递的共性或类似特性, 建立起表面传热系数 h 与阻力系数 cf 间的相互联系, 通过较易测定的阻力系数来获得相应的表面传热系数 值。
主流区：速度梯度为0， 0 可视为无粘性理想流
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。
化工原理.对流传热
logNu b
logPr logNu/Prb a
logc
logRe
（三）定性温度、特性尺寸的确定 1．确定物性参数cp、μ、ρ等数值的温度称为定性温度。 定性温度的取法：
(1) tm t1 t 2 2
(2) 膜温 tW t m 2
2．特性尺寸
取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。
3 Re 0.4
适用条件：Re>1800
特性尺寸l：管或板高H
定性温度：膜温
Re的表达式：
Re d eu 4
S
u
4 Re
qm
qm Su
4lt r
Q qm r Q At lt
Re
4．冷凝传热的影响因素和强化措施
1) 流体物性 冷凝液、 、 r 、 → 2) 温差 液膜层流流动时，t=ts－tw →
d 0
流速u按流通截面最大处的截面计算：
S max hD(1
式中
do t
)
h——两块折流挡板间距离，m； D——换热器壳径，m；
do——管子的外径，m；
t——相邻两管中心距，m。
u
0.55 0.45
de
提高壳程对流传热系数的措施：
1） u ; 但u 流动阻力 u , h f
四、对流传热系数经验关联式
（一）因次分析 ＝f (u，l，，，cp，，gt) 式中 l—特性尺寸； u—特征流速。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度 变量总数：8个
由定律（8-4）= 4，可知有4个无因次数群。
Nu m Re Pr Gr
a b
c
对流热流原理
对流热流原理
流热流原理是热力学中的基本原理之一，它指的是热量在物体中的传递过程。
根据流热流原理，热量会自高温区域传递到低温区域，直到两个区域的温度达到平衡。
具体来说，当两个物体处于不同的温度时，它们之间存在一个温度梯度。
根据热力学第二定律，热量会沿着温度梯度的方向从高温区域向低温区域传递，直到两个物体的温度达到平衡。
在物体内部，热量的传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子传递，对流是指热量通过流体的对流传递，辐射是指热量通过电磁波辐射的方式传递。
在流热流过程中，对流往往起着重要的作用。
对流是指流体内部的热量传递，它是由于物质的移动而引起的。
对流的传热过程可以通过流体的对流换热系数来描述，该系数取决于流体的性质、速度、流动方式等因素。
总之，流热流原理是描述热量传递过程的基本原理，它是研究热力学和热传导的基础。
对于工程设计和实际应用中的热传导问题，流热流原理是理解和解决问题的重要依据。
化工原理第四章对流传热
2/23/2020
（2）Gr>25000时，自然对流的影响不能忽略时 可按前述方法处理，然后乘以校正系数 f：
f 0.8(1 0.015Gr1/ 3)
【注意】在换热器设计中，应尽量避免在层流条件 下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总 传热系数也很小。
2/23/2020
【例】列管冷凝器中，用水冷却有机物蒸气， 水以0.5m/s的速度在Ф25×2的管内流动，进水 温度为20 ℃，出水温度为40 ℃。试求水对管 壁的对流传热系数。
2/23/2020
【解】在确定各物理量时，先确定定性温度。
一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值
（算术平均值），即：
t t进＋t出 ＝20＋40＝30℃
2
2
查数据手册，30℃时水的物性数据为：
与传热有关的流体物性
Gr gtl3 2 表示由温度差引起的浮力与
2
粘性力之比
2/23/2020
4、注意事项 （1）适用范围
在测定准数关联式的各项指数时，实验范围是有 限的。因此，准数关联式的使用范围也就是有限制 的，使用时不能超出适用范围。 （2）定性温度 【定义】在处理实验数据时要取一个有代表性的温 度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值 的温度称为定性温度。
层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
（1）形状 比如管、板、管束等； （2）尺寸 比如管径和管长等； （3）位置 比如管子的排列方式（如管束有正四方 形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放 置。
2/23/2020
5、是否发生相变 【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温 度变化的显热（r远大于Cp）。 【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，即：
传热学 第五章 对流原理.
层流边界层 紊流核心区
过渡区 紊流边界层 层流底层 主流区 速度边界层厚度 临界距离
层流
过渡流
湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
根据流体力学知识，层流边界层厚度 xv 5x 5x 5 vf vf x Re x
在层流边界层内的速度分布线为抛物线型； 在紊流边界层内，层流底层部分的速度 分布较陡，接近于直线，而在底层以外 的区域，由于流体微团的紊流运动，动 量传递被强化了，速度变化趋于平缓。
如果流体的流动是由于流体冷热部分的密度不同 引起的浮升力造成的，则称为自然对流。暖气 片的散热，蒸汽或其他热流体输送管道的热量 损失，都与这类换热有关。 一般来讲：强迫对流 换热优于自然对流。
二、 在分析对流换热时，还应分清流体的流态。 流体力学告诉我们，流体受迫在流道内流 动时可以有两种不同性质的流态。流体分 层地平行于流道的壁面流动，呈现层流状 态。但当流动状态到超过某一临界值时， 流体的流动出现了旋涡，而且在不断地发 展和扩散，引起不规则的脉动，使流动呈 现紊流状态。
α ＝q/（tf－tw） W
对流换热系数 α表征着对流换热的强弱 。
在数值上，它等于流体和壁面之间的温度 差为 1℃时，通过对流换热交换的热流密 度。单位为W/(m２·℃)。 对流换热量以及相应的换热系数的大小，将 更多地取决于流体的运动性质和情况。
一、速度边界层
流体力学指出，具有粘性且能湿润固 体壁面的流体，流过壁面会产生粘性力。 根据牛顿粘性（内摩擦）定律，流体粘性 力 τ 与垂直于运动方程速度梯度 (dv/dy ） 成正比，即: τ＝μ（dv/dy） Ｎ／m２ （5-2） 式中，μ 称为流体的动力粘度，单位为Pa· s 或kg/(m· s）。
传热学对流传热原理
+v
t y
=
cp
2t x2
+
2t y2
4个方程，4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和温度场(t) 以及压力场(p), 既适用于层流，也适用于湍流（瞬时值）
➢ 边界层型对流传热问题的数学描写
动量方程中的惯性力项和能量方程中的对流 项均为非线性项，难以直接求解
边界层理论
简化
流动
普朗特 速度边界层
2t y2
→固体中的热传导过程是介质中传热过程的一个特例。
稳态对流换热微分方程组:
(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
u v 0 x y
（u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x 2
2u y 2
)
（u
v x
v
v y
)
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
hx
t
t
y
w
,x
u
t x
5.4 相似原理与量纲分析
1、目的—— 简化实验 • 减少自变量的个数
1
1
hx x
0.332
u x
2
3
v a
Nu x
0.332
Re
1 x
2
Pr
1
3
• 缩小实验模型的尺寸 • 反映同一类现象的规律性
建立基于相似理论的实验关联式
（1）相似分析法；（2）量纲分析法
控制方程的无量纲化
二维、稳态、常物性、不可压缩、不计重力、无内热源、 无粘性耗散、牛顿流体的外掠平板强迫对流换热。
• y=0：u = 0, v = 0, t = tw
对流传热原理
5.壁 面 形 状
确定对流换热系数的方法： 1）理论解法
在边界层建立对流传热微分方程组的基础上， 通过数学分析法、积分近似解法、数值解法和比拟 解法求得。
2）实验解法
对微分方程组进行量纲分析，得出有关相似 特征数，在相似原理的指导下建立实验台和整理 实验数据，求得各特征数间的函数关系，再将函 数关系推广至与实验现象相似的现象中去。
从y方向流出微元体的质量流量在x方向上的 动量为： ∂v ∂u
v dy dx 1 u dy ∂y ∂y
x方向上的动量改变量 ：
∂u ∂u dxdy 1 u v ∂y ∂x
化简过程中利用了连续性方程和忽略了高阶 小量。 同理，导出y方向上的动量改变量 ：
1）定义
具有很大温度变化的流体薄层，即具有明显 温度梯度的流体薄层为热边界层。 2）热边界层厚度 把从壁面过余温度（t-tw)为零，到流体过 余温度为来流过余温度的99 % 的热边界层 距离称为热边界层厚度，用δ t 表示。
热边界层的形成和发展与速度边界类似。
3、热边界层与速度边界层的关系 速度边界层厚度δ与速度分布有关，反映 流体分子动量是扩散能力与运动粘度有关。 热边界层厚度δt与温度分布有关，反映流体 分子热量扩散能力，与热扩散率α 有关。
单位时间内微元体内流体质量的变化:
∂ρdxdy ) ( ∂τ = ∂ρ ∂τ dxdy
∵单位时间：流入微元体的净质量 = 微元体内 流体质量的变化
∂ u ) ( ∂x dxdy ∂ v) ( ∂y dxdy ∂ ∂ dxdy
∴连续性方程：
∂ρ ∂τ
+
∂ρu ∂x
+
化工原理第四章第三节
体的热导率较小，该层热阻较大，温 度差较大，即温度梯度较大。 过渡区 对流和热传导共同作用，在该层内温度
变化较缓慢。
湍流主体 热阻很小，温度梯度很小，各处的温度 基本相同。
2020/3/25
对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在层流底层。减薄层流底层的厚 度是强化对流传热的主要途径。
度与饱和蒸汽温度的算术平均值，即TS TW 2
冷凝液沿壁面流动的横截面积为S，则流动当量直径为
de
4S
Π－壁面的润湿周边长度，m，垂直管，Π =πd0，
垂直板，Π为板的宽度。
2020/3/25
冷凝液的液膜沿壁面流动的Re表达式为
Re deu 4lT
r
2020/3/25
3）影响冷凝传热的因素 a) 蒸汽中不凝气体含量的影响
1）蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝：若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完
整的液膜
b)滴状冷凝：若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作 用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面 落下
2020/3/25
2020/3/25
2）膜状冷凝的传热系数
a)蒸汽在水平管外膜状冷凝
由于管径较小，液膜通常呈层流流动
'
1 1.77
di R
5）流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只要将特征尺寸由圆管内径改为当量直径。
传热当量直径de
4
流体流动截面积 传热周边长度
计算结果欠准确，另一种方法是通过实验求得常用
的非圆型管道的对流传热系数的关联式。
2020/3/25
套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的 关联式为：
传热学 第四章 对流传热原理
h相变 >h单相
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4. 壁面的几何形状、大小和位臵
换热表面的形状／大小／换热表面与流体流动方向的 相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙） 内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束
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雷诺数的物理意义
ul ul u Re u
l
2
惯性力与黏性力之比
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3. 流体有无相变
单相换热 流体的显热变化
相变换热 沸腾、凝结、升华、 凝固、融化等
要有有限差分法、有限元法、有限分析法、边界元
法等等。 各种数值方法的根本区别主要在区域离散
和方程离散处理方法的不同，其基本思想大致可描
述为：把原来在时间和空间坐标中连续的物理量场
（如速度场、温度场、浓度场等）， 用有限个离散 点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这 些值的代数方程并求解之。
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1. 流动的起因或其他外 部动力源所造成
强迫对流换热
College of Energy & Power Engineering
流动的起因不同，流体中的速度场也有差 别，所以传热规律就不一样了，从而对流换热 系数也不同。 一般来说，同一种流体的强迫对流换热系
对流传热的基本公式
《化工原理教学》传热-对流课件
为了帮助学生更好地理解对流传热的概念和原理，本课件介绍了化工原理教 学中重要的一部分——传热-对流。
对流基础知识
1 对流定义
对流是物质在流体中的传递过程，常常伴随着随流体运动的热量传递。
2 对流规律
对流是由于温度场引起的流体流动现象，遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理。
3 对流换热原理
对流换热是通过流体流动引起的热量传递方式，常见于化工工程和热交换器中。
对流换热的传热机理
1
对流传热的影响因素
2
流体速度、温度梯度、表面特性等因
素会影响对流传热过程的效率。
3
对流传热机制
对流传热通过流体流动和温度差驱动， 实现了物体间的热量交换。
对流传热的计算公式
根据牛顿冷却定律和对流换热系数， 可以计算对流传热的热量传递率。
对流传热的应用
工程中的对流传热应用
对流传热在化工工程、能源行业和热处理等 领域中有着广泛而重要的应用。
实际案例分析
通过对实际案例的分析，探讨对流传热在工 业过程中的是许多工程和技术领 域中必不可少的关键过程。
学习对流传热的意义
掌握对流传热的原理和应用， 对于化工专业的学生和从业人 员至关重要。
未来的发展和应用前景
对流传热的研究和应用将在能 源、环保等领域发挥重要作用。
对流换热知识点总结
对流换热知识点总结导言对流换热是热传递的一种方式。
在许多实际问题中，流体和固体之间都会发生对流换热现象。
对流换热是指热能通过流体传输到物体表面上，然后再通过固体的传热机制传递到物体内部。
对流换热的基本原理是通过流体的流动将热能传送到物体之间，并在传热过程中通过流体对物体表面的冷却来达到等温条件。
本文将会围绕对流换热知识点进行总结，着重讨论对流换热的基本原理、传热系数计算、传热器设计、流动形式以及一些应用等方面。
一、对流换热的基本原理对流换热的基本原理是通过流体的流动将热能传送到物体之间，并在传热过程中通过流体对物体表面的冷却来达到等温条件。
对流换热是通过流体对物体表面进行冲刷，从而带走物体表面的热量。
对流换热的基本原理可以用纽塔尔方程来描述，该方程为：Q = h*A*ΔT其中Q表示热交换量，h表示传热系数，A表示传热面积，ΔT表示传热温差。
传热系数h是对流换热的特性参数，它描述了在单位面积上对流换热所需要的热传导率。
当流体在物体表面上流动时，会形成一层相对静止的边界层，边界层中的流体速度较低，温度较高，因此会对物体表面带走较多的热量，进而提高传热系数h。
二、传热系数的计算传热系数是描述对流换热的特性参数，它有多种计算方法，其中常用的方法有理论计算和实验测定两种。
理论计算方法一般包括：经验公式法、边界层理论法、流体力学法和数值模拟法。
而实验测定则通过对流体在传热器上的温度和流速进行测定，进而得到传热系数。
对于复杂的情况，常常需要采用复杂的数学模型和计算方法来精确求解传热系数。
在一些工程问题中，传热系数的计算是非常重要的，它直接影响到传热器的设计和使用效果。
三、传热器的设计传热器是用来加热或冷却流体的设备，它包括热交换管、冷凝器、蒸发器、换热管、加热器和冷却器等。
传热器的设计是通过传热系数的计算和流体的流动特性来确定的。
在传热器的设计过程中，需要考虑传热器的结构形式、材料选用、传热系数、流体流动参数等因素。
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1
5.1 概述
流动流体与所接触的物体表面之间由于温 度差而引起的热量传递称为（表面）对流 传热。
➢按流体有无相变 ➢按流体流动起因 ➢按流体流动状态
单相对流传热 相变对流传热——凝结，沸腾
自然对流传热 强迫对流传热
层流对流传热 湍流对流传热
2
5.1 概述
基本公式——牛顿冷却公式
• 实验数据的整理
以稳态单相强迫对流为例：
Nu f Re,Pr
Nu C Ren Prm
对同一流体实验，控制温度，使Pr不变，在不同 的Re下，得到Nu，利用对数关系确定方程中的系 数。
工程上实用的计算对流传热系数h的各种公式， 主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确 定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实 验测量获得相应的参数。
5.4 特征数方程
对流传热常用的特征数（稳态，单相） 1. 努塞尔数Nu
Nu hlc
f
lc f
1h
对流层导热热阻 对流传热热阻
2. 雷诺数Re
由牛顿粘性定律： u
y
—动力粘度பைடு நூலகம்Pa.s
流场可以划分为两个区： 边界层区与主流区
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：
层流边界层
过渡区
湍流边界层
湍流核心区 层流底层
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面 的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度
Nu f Re,Pr • 纯自然对流 Nu f Pr,Gr
统一形式：
Nu C Ren Prm Grs
5.4 特征数方程
对流传热的三大特征量——确定特征数中 某些参数的量
1.特征温度 tc
• 流体温度 • 热边界层平均温度 • 壁面温度
2.特征尺寸 lc 3.特征流速 vc
5.4 特征数方程
5.1 概述
2. 流动状态
• 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. 有无相变
• 单相依靠显热实现传热 • 相变依靠潜热实现传热
4. 流体物性
• 热导率——流体与壁面间导热热阻越小，对流传热越强 • 定压比热——单位体积流体能携带更多能量 • 密度——单位体积流体能携带更多能量 • 动力粘度——阻碍流体流动，不利于对流 • 体胀系数——使自然对流换热增强
Tw
t tw 0.99 t tw y t 热边界层厚度
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时热边界层的形成和发展：
在层流边界层中：热量传递依靠导热 在湍流边界层中：热量传递依靠流体微团的脉动引起
的混合作用
5.2 边界层概念
热边界层厚度与流动边界层厚度的关系：
（流动边界层和热边界层的状况决定边界层内的热量传递）
hAt
t ——流体与壁面的温差 A ——对流传热面积 h ——对流传热系数
热阻
1 Rh hA
5.1 概述
对流传热系数及其影响因素
对流传热系数是一个表征对流传热强弱的非物性参
数，定义式为： h q t
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
影响因素： 1. 流动起因
• 强迫对流 • 自然对流
Re Vclc
Vclc
惯性力 粘性力
5.4 特征数方程
3. 格拉晓夫数Gr
Gr
gV tlc3 2
浮升力 粘性力
惯性力 粘性力
4. 普朗特数Pr
Pr
v a
动量扩散能力 热量扩散能力
5.4 特征数方程
对流传热常用特征数方程
• 流体流速较小，自然对流和强迫对流共存
Nu f Re,Pr,Gr
• 纯强迫对流
5.2 边界层概念
层流向湍流转捩的定量判据——雷诺数（Reynolds）
定义式：Rec
uclc
uclc
惯性力 粘性力
——密度
uc ——特征流速
lc ——特征尺寸
——运动粘度
掠过等温平壁时层流向湍流转捩的临界雷诺数： Rec 5105
5.2 边界层概念
流体边界层的特点：
• 边界层厚度 与壁的定型尺寸L 相比极小， << L
例如对纵掠等温平壁的稳态传热， Re 5105 时， 求解结果为：
1
1
hx
0.332
x
u x
2
a
3
5.4 特征数方程
• 相似理论
同类物理现象中，若在空间对应的地点和时间 对应的瞬间，其各对应的物理量分别成一定比例， 称物理现象彼此相似。
彼此相似的物理现象，其对应的同名特征数必 定相等。
5.1 概述
5. 几何因素
5.1 概述
研究对流传热的方法： 1.分析解法
• 数量级分析法 • 积分近似解法
2.数值解法 3.比拟法 4.相似原理指导下的实验法
5.2 边界层概念
流动边界层
——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。这种固体壁面附近流体速度变化剧烈的薄层称为流 动边界层或速度边界层。
• 边界层内存在较大的速度梯度 • 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处
仍有层流特征，粘性底层（层流底层） • 流场可以划分为边界层区与主流区
边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述 主流区：由理想流体运动微分方程—欧拉方程描述
5.2 边界层概念
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）
15
5.3 对流传热微分方程组
1.传热方程
粘性底层的导热：
qx
f
tx y
y 0
牛顿冷却公式： qx hx tw t f x
合并上两式：
hx
f
tw t f
x
tx y
y0
5.3 对流传热微分方程组
2. 质量方程 3. 动量方程
u v 0 x y
u
u
u x
v
u y
Fx
p x
2u x2
2u y2
v
u
v x
v
v y
Fy
p y
2v x2
2v y2
4. 能量方程 t t t 2t 2t
u
x
v
y
a
x2
y2
5.3 对流传热微分方程组
• 边界层对流传热微分方程组
将对流传热微分方程组应用到边界层内，可以求 解简单的对流传热问题。
普朗特数反映流动边界层厚度与热边界层 厚度的相对大小
Pr
a
动量扩散能力 热量扩散能力
常用流体的Pr值在0.6~4000之间
14
5.3 对流传热微分方程组
对流传热——流体热对流+导热 还要涉及到流体的质量、动量、能量方程，因 此对流传热需用一组方程描述。
方程简化：常物性，流速不高，无内热源，不可 压缩，牛顿型流体，二维稳态对流传热