对流换热及其影响因素分析
第五章—对流换热分析
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。
对流换热系数的影响因素
对流换热系数的影响因素
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递方式。
其中，对流换热系数是一个关键参数，用于描述热量传递的效率。
对流换热系数受许多因素影响，下面让我们具体来看看这些因素。
1. 流体性质：流体的密度、粘度、热导率、比热容等性质对对流换热系数的影响较大。
一般来说，流体的密度和比热容越大，对流换热系数越小，而粘度和热导率越大，对流换热系数越大。
2. 流动状态：流动状态对对流换热系数的影响主要表现在雷诺数上。
当雷诺数较小时，流体的流动状态为层流，对流换热系数较低；而当雷诺数较大时，流体的流动状态为湍流，对流换热系数较高。
3. 流动方向：流体流动方向对对流换热系数也有影响。
例如，在水平管道中，流体的对流换热系数比竖直管道中的大；另外，如果流体的流动方向与壁面的角度不同，对流换热系数也会有不同的变化。
4. 壁面形状：壁面形状对换热系数也有明显的影响。
一般来说，壁面越粗糙，对流换热系数就越大；反之，壁面越光滑，对流换热系数就越小。
此外，壁面凸度的改变也会影响对流换热系数。
5. 流体入口速度：流体入口速度对对流换热系数也有影响。
当流体入口速度增加时，对流换热系数会增加，主要是因为流体的对流和湍流增强。
以上就是对流换热系数的影响因素。
在实际工程中，我们需要结合具体情况，选择合适的流体和换热器结构，以提高对流换热系数，从而提高热量传递效率。
同时，我们也要进一步深入研究对流换热机理和影响因素，以推动对流换热领域的发展和应用。
求空气和管壁面间对流换热系数
求空气和管壁面间对流换热系数对流换热是热工学中一个重要的研究对象，对流换热系数是描述流体和固体壁面之间换热效果的一个重要参数。
而在许多工程领域中，空气和管壁面间的对流换热系数更是备受关注。
本文将围绕这一主题展开讨论，探讨空气和管壁面间对流换热系数的相关影响因素和计算方法。
一、对流换热系数的定义对流换热系数是指单位面积上的传热功率与温差之比，通常用符号"h"表示。
在对流换热过程中，对流换热系数的大小直接影响着传热效果，因此对其的研究和计算具有重要意义。
二、空气和管壁面间对流换热系数的影响因素1. 管道材质管道的材质直接影响着管壁面的导热性能和表面粗糙度，从而影响对流换热系数的大小。
一般来说，导热性能好、表面粗糙度小的管道对流换热系数会较高。
2. 流体性质空气的流体性质，如密度、粘度和导热系数等，也会对空气和管壁面间对流换热系数产生影响。
这些性质与空气的温度、压力等因素密切相关，在对流换热系数的计算中需要综合考虑。
3. 流体流动状态流体的流动状态对对流换热系数有明显影响。
层流和湍流的流动状态下，对流换热系数的大小会有所不同。
在实际工程中需根据流体流动状态的不同进行对流换热系数的计算和分析。
4. 管道几何形状管道的几何形状也会对对流换热系数产生影响。
不同形状的管道在对流换热过程中，由于流体流动状态的差异，其对流换热系数也会有所不同。
在计算对流换热系数时需要考虑管道的几何形状。
5. 表面温度差表面温度差是影响空气和管壁面间对流换热系数的重要因素。
一般来说，温度差越大，对流换热系数也会相应增大。
在工程实践中需要合理控制表面温度差，以提高对流换热系数。
三、空气和管壁面间对流换热系数的计算方法对于空气和管壁面间对流换热系数的计算，通常采用经验公式或数值模拟的方法。
常用的经验公式包括Dittus-Boelter公式、Sieder-Tate 公式等，这些公式都是根据大量实验数据拟合得到的经验公式，适用范围较广。
工程热力学与传热学 第四章对流换热
从公式可知，要计算热流量，温度及面积比较容易得到，
主要是如何求得对流换热系数α，这是研究对流换热的主要任
务之一。
确定α；
➢对流换热的任务 揭示α与其影响因素的内在关系；
增强换热的措施。
➢研究对流换热的方法 ➢ 分析法 ➢ 实验法
➢ 比拟法 ➢ 数值法
➢ 分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定 解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。
➢关于速度边界层的几个要点
(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， << L
(2) 边界层内存在较大的速度梯度
(3) 边界层流态分层流与紊流；紊流边界层紧靠壁 面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）
(4) 流场可以划分为边界层区与主流区，主流区 的流体当作理想流体处理
热边界层
➢定义
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 0 为热边界层。
：流动边界层厚度 u 0.99u
t∞ u
δt δ
tw
x
l 如，空气外掠平
板u=10m/s：
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
➢速度边界层的形成及发展过程
紊流核心
临界距边离界xc层：从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决
于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
4、流体的物理性质
流体内部和流体与壁面间导热热阻小 c 单位体积流体能携带更多能量
有碍流体流动，不利于热对流
自然对流换热增强
体胀系数：
1
(
对流换热及其影响因素分析
第一节 对流换热及其影响因素分析
但流体的受迫流动要依靠泵或风机等消耗机械功来获得，流速越高 或流体粘度越大，需要克服的流动阻力越大。所以，工程上对高粘 性油类的加热或冷却，大多采用层流或接近于层流时的换热过程， 即使是低粘性的空气，由于密度小，管道口径小于10mm时，为了不 使流速过高，也常采用雷诺数较低的湍流，并不片面利用速度越高 表面传热系数越大的特性。 3.流体有无相变发生
第十四章 对 流 换 热
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
对流换热及其影响因素分析 求解表面传热系数的方法 圆管受迫对流换热 自然对流换热 沸腾换热 凝结换热
第一节 对流换热及其影响因素分析
一、对流换热和牛顿冷却公式 1.对流换热的概念 热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对 位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发 生在流体中，而且由于流体分子同时在进行着不规则的热运动，因 而热对流必然伴随有热传导现象。工程上主要研究的是流体流经固 体壁面时流体与固体壁面之间的热量传递过程，称之为对流换热。 在对流换热过程中，不仅有离壁面较远处流体的对流作用，同时还 有紧贴壁面薄层流体的导热作用。因此，对流换热实际上是一种由 热对流和热传导共同作用的复合换热形式。 2.牛顿冷却公式
第二节 求解表面传热系数的方法
1.相似准则数 (1)努谢尔特准则数 (2)雷诺准则数
第二节 求解表面传热系数的方法
(3)普朗特准则数
第二节 求解表面传热系数的方法
(4)格拉晓夫准则数
第二节 求解表面传热系数的方法
2.相似准则数之间的关系
第二节 求解表面传热系数的方法
1)若只考虑受迫对流换热，可从式(14-11)中去掉Gr，则受迫对流换 热准则方程式可简化为 2)空气的Pr可作为常数处理，故空气受迫对流换热时式(14-12)可简 化为 解：假定有甲、乙两对流换热现象相似，它们的对流换热微分方程 式分别为
管内对流换热影响因素及其强化分析
管内对流换热影响因素及其强化分析摘要: 从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。
介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。
对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。
关键词：管内；对流；换热；强化换热Influencing Factors and Enhancing Methods ofConvective Heat Transfer in TubesLei ChangkuiSafety Engineering Class 1002 1003070210Abstract: Some factors were summarized systematically according to the research in China and abroad in recent years, including convection flow state,phase-transformation,geometric factors, fluid pulse, fluid physical properties and viscosities. At the same time,some methods of enhancing heat transfer in tubes were also summarized,such as additives,electro-hydro-dynamical,metal foam filled pipes etc.Finally,the characteristics and the method of heat transfer enhancement were analyzed in high-medium temperature solar power systems.Key Words: tube,convection,heat transfer,heat transfer enhancing0 引言管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。
第五章对流传热分析
第五章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。
5.1 内容提要及要求5.1.1 对流换热概述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。
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 , ,,, 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。
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由上式可有h xtt x yW/(m 2 K)w,x其中为过余温度，h xxyW/(m 2 K)w,x对流换热问题的边界条件有两类，第一类为壁温边界条件，即壁温分布为已知，待求的是流体的壁面法向温度梯度；第二类为热流边界条件，即已知壁面热流密度，待求的是壁温。
水的对流换热系数
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。
管内流动时的对流换热
02
管内流动的基本原理
牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体的粘度只与温度和压力有关 ，而与剪切速率无关；非牛顿流体的 粘度不仅与温度、压力和剪切速率有 关，还与剪切应力有关。
在管内流动时，牛顿流体的换热系数 较高，而非牛顿流体的换热系数较低 。因此，在选择流体时，应考虑其对 换热的影响。
层流与湍流
在层流状态下，流体的流动比较稳定，流速分布也比较均匀；而在湍流状态下， 流体的流动非常不稳定，流速分布也比较不均匀。
污水处理
在污水处理中，利用对流换热原理进行废水的加热或冷却，以实现 废水的生物处理或化学反应过程。
大气污染控制
在大气污染控制中，利用管内流动的对流换热原理，对烟气进行加热 或冷却，以实现烟气的脱硫、脱硝或除尘等处理。
THANKS
感谢观看
在湍流状态下，流体与管壁之间的换热效率更高，因此在实际应用中，应尽可能 促进湍流的发生以提高换热效率。
流动类型对换热的影响
在层流状态下，由于流体的流动比较稳定，因此传热效率较 低；而在湍流状态下，由于流体的流动非常不稳定，因此传 热效率较高。
在实际应用中，应根据实际情况选择合适的流动类型以提高 换热效率。例如，在某些情况下，可以通过改变管道的形状 或增加扰流装置来促进湍流的发生，从而提高换热效率。
反应堆的正常运行和安全。
火力发电
02
在火力发电中，锅炉的受热面将燃料的化学能转换成蒸汽的热
能，这涉及到管内流动的对流换热。
地热发电
03
地热发电中，利用地热流体在管内流动的对流换热来驱动涡轮
机发电。
环境保护中的对流换热
废气处理
在废气处理中，利用管内流动的对流换热原理，通过加热或冷却的 方法将废气中的有害物质去除或转化。
对流换热分析要点
F.体积膨胀系数：单位：1/K，对于理想气体有： =1/T
定义式为：
1
T
p
1
T
p
第一节 对流换热概述
一、一般定性分析（各影响因素）
3.流体相变：冷凝、沸腾、升华、凝华、融化、凝固等，其流 动和换热均有一些新规律。
4.换热表面几何因素 ①定型尺寸l：对对流换热计算有决定性影响的特性尺寸。半径
一般Rec=3×105～3×106，若为粗糙壁且有扰动时： Rec=3×105，若尽力消除扰动源，则Rec=5×105。
运动微分方程组： 连续方程
动量方程
速度场 能量微分方程
温度场 过程微分方程式
对流换热系数
第二节 对流换热的数学描写
本节研究内容仅限以下情况：
1.只分析二维对流换热；
2.流体为不可压缩流体，服从=·u/y定律；
3.物性参数均视为常量。
一、运动微分方程
1.连续方程
根据质量守恒定律推出：
u x
v y
0
2.动量微分方程（又称纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）
边界层的形成、发展及区域划分
u∞
u∞
o
u∞=f（x,u,）
o
xc
紊流核心层
缓冲层
u c
层流底层
层流边界层 过渡段
紊流边界层
自O点开始边界层逐渐加厚，并随着粘滞力对外影响的减弱， 在某处开始层流开始不稳定起来。
临界距离xc：O点距层流向紊流过渡点的水平距离； 临界雷诺数Rec：层流向紊流过渡点的雷诺数值。Rec=u∞·xc/
①状态：层流 紊流
②起因：自然对流（自由对流） 强制对流（受迫流动）
2.流体物性参数的影响
第四章 对流换热..
（第三章已经推导出）
（2）由对流引起的
（3）内能的变化： 代入热力学第一定律，从而有：
第三节 边界层微分方程组
上一节导出的方程组虽然是封闭的，原则上可以求解， 但要针对实际问题求解上述方程组是非常困难的。直到 普朗特提出边界层这一概念后，方程组才有实质性的简 化。下面就运用数量级分析的方法简化对流换热微分方 程组。 数量级法分析：是指通过比较方程式中各项量级的相对 大小，把量级较大的项保留下来。而舍去量级较小的项， 实现方程式的合理简化。 对于上述微分方程组，假设为二维稳态，重力场可忽略 的强制对流换热问题。 设主流速度u、温度t、壁面长度l 以及速度边界层和热边 界层5个量的量级如下：
思路：取控制体，利用能量守恒和动量守恒建立微分方程 组结合单值性条件。 b. 建立边界层的积分方程组求解α （近似解法） c. 利用动量和能量的比拟方法（类比法） （2）实验研究方法： 用相似原理或量纲分析法，将众多的影响因素归纳成为数 不多的几个无量纲的准则，通过实验确定α 的具体关系式。 （3）两者的联系和区别（理论分析法和实验研究方法） 两种方法在解决对流换热问题上起相辅相成的作用。虽然 解析解不能求解各种各样对流换热问题，但能深刻地揭示 出各个物理量对换热系数的影响，而且也是评价其它方法 所得结果的标准和依据，而实验研究方法可以得到具体的 表达方式，而且是设计计算的主要计算式，是必须掌握的 内容。
6. 边界层（附面层）的概念 由于流体都存在着粘性，所以流体流过避免时，在壁面 附近的区域流体的温度和速度均发生了很大的变化。实 验研究表明，换热系数的大小主要取决于这一区域内流 体的流动情况，这一区域称边界层。 （1）速度边界层 如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法面方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 普朗特研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边 界层的概念。
对流换热因此分析
分析方法： 一、相似分析法 1。物理量的相似 2。物理现象相似及判别条件 3。现象相似与准则的关系------相似分析法 举例：壁面对流换热现象 最终得出----努塞尔特准则相等 二、量纲分析法 1。量纲分析法 2。基本量纲系统 3。p 定理 举例：强迫对流换热 最终得出----雷诺准则相等 还可得出：普朗特准则相等、努塞尔特准则相等
自然对流
2. 流体流动的状态
层流 过渡状态 紊流 有流体微团的横向脉动 无流体微团的横向脉动，法线方向为导热
3.流体的热物性 导热系数、比热容c、动力粘度、密度
4.换热壁面的热状态（壁温的大小） 有相变 壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象
无相变
对流换热系数比有相变时小得多
5.换热壁面的几何因素 换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引起换热系数的 变化。
①用相同形式且具有相同内容的微分方程时所描述 的现象为同类现象，只有同类现象才能谈相似。 ②彼此相似的现象，其同名准则数必定相等。 ③彼此相似的现象，其有关的物理量场分别相似。 实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免 了测量的盲目性，这就解决了实验中测量哪些物 理量的问题
（2）相似准则之间的关系 ①各特征数之间存在着函数关系，如常物 性流体外略平板对流换热特征数：
2。基于动量定律的动量微分方程
1 p 2 wx 2 wx x 2 x y 2 x
wx
wx w x wy y x
1 p 2 w y 2 w y y 2 2 y x y
对流换热系数,简称换热系数,单位为Ｗ／（ｍ２· Ｋ）。
二、局部换热系数和平均换热系数
1.局部换热系数
强迫对流换热
y+dy h y+dy
的净热量和由对流进入微元体的 dy 净热量之和等于微元体热力学能
x h x
x+dx h x+dx
的增加，
h
dU
d
y h y
0
dx
x
cp
t
u
t x
v
t y
13
（2）对流换热的单值性条件
1) 几何条件
说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流 体之间的相对位置，壁面的粗糙度等。
2) 物理条件
说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化 规律、有无内热源以及内热源的分布规律等。
3) 时间条件
说明对流换热过程是稳态还是非稳态。对于非稳态, 应给出初始条件（过程开始时的速度、温度场）。
u
u x
v
u ) y
Fx
p x
(
2u x 2
Hale Waihona Puke 2u y 2 )y方向:
（ v
u
v x
v
v ) y
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
惯性力项
体积 压力 力项 梯度
项
粘性力项
11
3）能量微分方程（能量守恒） 单位时间由导热进入微元体 y
给出了边界面法线方 向流体的温度变化率
如果qw=常数，则称为等热流边界条件。
15
对流换热微分方程组和单值性条件构成了对一个具 体对流换热过程的完整的数学描述。但由于这些微分方 程非常复杂，尤其是动量微分方程的高度非线性，使方 程组的分析求解非常困难。
对流换热
11
1）连续性微分方程（质量守恒） u v 0 x y 2）动量微分方程（动量守恒）
纳维(N. Navier)-斯托克斯(G. G. Stokes)方程
y
dy
微元体
0
dx
x
2 2 u u u p u u x方向: （ u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y
2 外掠平板层流换热分析结果
对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体纵掠 等壁温平板层流换热：
24
特征数关联式 对于Pr0.6的流体掠过等壁温平板层流换热 hx x Nux 是以 x 为特征长 1/2 1/3 Nu x 0.332 Rex Pr 度的局部努塞尔数 u x 平均表面传热系数h 为 Rex l l 1 1 1/2 1/2 2 C l 2hxl h hx dx C x dx l 0 l 0 平均努塞尔数: hl 2hl l Nu 0.664Re1/2 Pr1/3 Nu 2 Nu x l 注意：上述关系式仅适用于Pr0.6的流体外掠等壁 温平板层流换热，定性温度为边界层的算术平均温度 1 tm t w t 2
q w, x
t y w, x
根据牛顿冷却公式：
qw, x hx (t w -t ) W m 2
t hx t w t y w, x
hx 为局部表面传热系数
W (m C)
2
1 h hx dA（固体表面温度均匀时） A A
10
假设： (a) 流体为连续性介质。
(b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化。 (c) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声 速的流体可以近似为不可压缩性流体。 (d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为 线性，遵循牛顿公式 ： u y (e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。 (f) 二维对流换热。
传输原理第十章 对流换热
25
第五节 自然对流换热的计算
一、自然对流换热的特点
自然流动或自然对流： 静止流体与固体表面接触，存在温度 差，引起密度差，在浮力作用下产生流体上下的相对运动。 自然对流换热中，Gr准数起决定性作用．
表示浮力与粘性力之比，并且包括温度
差ΔT。靠近固体表面流体的流动层就是 自然对流边界层，贴近固体表面处流速 为零，而边界层以外静止流体的流速也为 零，因而在边界层内存在一流速极大值，如图所示：
29
表2 自然对流简化对流表面传热系数公式
例 长10m，外径为0.3m的包扎蒸汽管，外表面温度为55℃， 求在25℃的空气中水平与垂直两种方式安装时单位管长的散 热量。
30
作业
• 1、3、7、12
31
第四节 强制对流换热的计算
一、外掠平板
1.流体顺着平板掠过时，层流至湍流的转变临界雷诺数的确定 在一般有换热的问题中取 Re下临＜5×105 2.平板在常壁温边界条件下平均表面传热系数准则关系式如下： 层流区：Re＜5×105 3.最终达到湍流区(5×105≤Re＜107)时全长合计的平均表面传 热系数α可按以下准则式先计算出Nu，再算出α：
1．非对称平板
取特征尺寸
L=A／S
2．块状物体水平面，侧面同时发生自然对流换热时
3．对长方体 取特征尺寸为
4．在101.3kPa(标准大气压)F，中等温度水平，即tm
＝50℃的空气与表面的自然对流可由下表2中的简
化公式求表面传热系数。当压力发生变化时应乘以
压力修正系数如下(其中p为实际压力，Pa)：
对于液体
………………………（10）
………………………..（11）
• 对于自然对流受到抑制时，推荐下列准则关系式： ……………..（12） 完全发展的层流，在恒定壁面热流通量的条件下圆管内热交换 的Nu数为： 在恒定壁面温度的条件下， 24 圆管内热交换的Nu数也是常量；Nu＝3.66。
最新 对流换热及其影响因素分析
第一节 对流换热及其影响因素分析
但流体的受迫流动要依靠泵或风机等消耗机械功来获得，流速越高 或流体粘度越大，需要克服的流动阻力越大。所以，工程上对高粘 性油类的加热或冷却，大多采用层流或接近于层流时的换热过程， 即使是低粘性的空气，由于密度小，管道口径小于10mm时，为了不 使流速过高，也常采用雷诺数较低的湍流，并不片面利用速度越高 表面传热系数越大的特性。 3.流体有无相变发生
第一节 对流换热及其影响因素分析
流体的流动状态是指流体流动的形态和结构。由流体力学理论可知， 流体的流动状态有层流和湍流之分。流体流过固体壁面时，层流边 界层与湍流边界层具有不同的换热特征和换热强度，因此研究对流 换热过程时，区分流体的流动状态极为重要。在层流边界层中，除 了由于分子可能从某一流层运动到相邻的另一流层中去而传递动量 以外，主要是依靠流层间的导热来传递热量的。在湍流边界层中， 由于湍流支层中还同时存在流体横向脉动的对流方式，使流体沿壁 面法线方向产生热对流作用而增强热传递，因此只有层流底层中是 以导热方式来传递热量的。在对流换热过程中，如果保持其他条件 相同，则流速高时的湍流与流速低时的层流相比，湍流的表面传热 系数α要比层流的表面传热系数α大好几倍。
第一节 对流换热及其影响因素分析
相变是指参与换热的液体因受热而发生气化现象，或参与换热的气 体（如水蒸气）因冷却放热而凝结的情况。这两种情况下的换热分 别称为沸腾换热和凝结换热，或统称为相变换热。流体有相变的对 流换热过程，具有一些新的特点，它与无相变的对流换热过程有很 大的差别。流体发生相变时，流体温度基本保持相应压力下的饱和 温度不变。这时流体与壁面间的换热量等于流体吸收或放出的潜热， 而气液两相的流动情况也不同于单相流动。所以有相变时与无相变 时的换热条件是不一样的。一般地说，对于同一流体，有相变时比 无相变时的换热程度要大得多。这是因为相态改变时物质的潜热参 与了换热过程，同时气泡或凝结水滴的运动也破坏了层流或层流底 层的运动性质，大大增强了流动的扰动性，使壁面法线方向出现了 强烈的热对流作用。
传热学5-对流换热分析
Mx
M x dx x
M y vdx
单位时间内、沿x轴方向、 经x表面流入微元体的质量 单位时间内、沿x轴方向、经 x+dx表面流出微元体的质量
M x udy
M x M x dx M x dx x
单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：
M x M x dx
无论流体流动与否， p 都存在；而 ii只存在于流动时
同一点处各方向的 p 都相同；而 ii与表面方向有关
推导过程见P110 动量微分方程 — Navier-Stokes方程（N-S方程）
u u u p u u （ u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y
M x ( u ) dx dxdy x x
单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量：
M y M y dy
单位时间内微元体 内流体质量的变化:
( v) dy dxdy y y
M y
( dxdy) dxdy
Mx
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定： 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
2 质量守恒方程(连续性方程) 流体的连续流动遵循质量守恒规律
(x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体（z方向为单位长度），M 为质量 流量 [kg/s]
从流场中
Mx
M x dx x
M y vdx
热的核心问题
研究对流换热的方法：
（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法
传热系数大致范围
5 对流换热的影响因素
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。其影响因素主要有以下五个方面： (1)流动起因 (2)流动状态 (3)流体有无相变
对流换热影响因素.
传热学 Heat Transfer
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我们可以得出：影响对流换热的因素很多，表面
传热系数是很多变量的函数
h f u , t w , tf , , , c p , , , l ,
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传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
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5.换热表面的几何因素
换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表
面粗糙度等几何因素将影响流体的流动状态，因此
影响流体的速度分布和温度分布，对对流换热产生 影响。 在计算时采用对换热有决定意义的特征尺寸作 为依据，这个尺寸称为定型尺寸，一般用 l 表示。
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传热学 Heat Transfer
Chengde Petroleum Co于流动方向上的热量传递主要靠导热。
流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体 之间迅速混合，表面传热系数大。
紊流
3.流体有无相变
沸腾换热 凝结换热
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传热学 Heat Transfer
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The End
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在对流换热中，流场中各点的温度不同，其
物性也不相同，为了确定物性、数据整理方便。
一般选择某一特征温度来确定参数，即在该特征
温度下把物性作为常量处理，这个温度称为定性
温度。
主要以下面几种温度为定性温度：流体温度、
壁面温度、流体和壁面温度的算术平均值。
强迫对流换热实验误差分析
强迫对流换热实验误差分析
在对流换热实验中，误差分析是评估实验结果的准确性和可靠性的重要步骤。
一些可能导致误差的因素和对应的分析方法：
1. 流量计误差：检查流量计的准确度和精度，比较实际流量值与流量计读数之间的差异。
可以通过使用多个流量计进行比对校准来减小误差。
2. 温度传感器误差：使用多个温度传感器进行测量，并比较它们的读数。
校准传感器的准确度和为每个传感器确定一个误差范围是减小误差的有效方式。
3. 液体性质变化：在实验过程中，液体的物性参数（如密度和比热容）可能发生变化，导致换热系数的测量误差。
对于液体性质的变化，可以在实验中进行相应的修正或控制，以减小误差。
4. 流速变化：测量流速时，由于管道结构、液体粘性等原因，流速可能存在变化。
检查流速变化对换热系数的影响，并进行适当的修正。
5. 实验环境影响：实验环境的温度、湿度等因素可能会对实验结果产生影响。
进行实验时应注意控制环境条件，并在数据分析时进行相应的修正。
综上所述，误差分析是检查实验过程中可能引入误差的因素，并进行相应的校准和修正，以提高对流换热实验的准确性和可靠性。
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第一节 对流换热及其影响因素分析
根据流体流动产生的原因的不同，流体的流动可分为受迫流动和自
由流动两类。流体的受迫流动是由机械力（如泵或风机）的作用所 引起的，所以又称为强迫流动。它可以是没有对流换热的等温流动， 也可以是有对流换热的非等温流动，其流动速度决定于外力所产生 的压差、流体的性质和流道的阻力等。流体的自由流动往往是由于 固体表面对流体局部加热或冷却引起的，例如利用暖气散热片取暖 和各种热工设备的外壳对外散热等。此时，受热的那部分流体因密 度减小而上升，附近密度较大的冷流体就流过来补充，流动的原因 是流体的密度差产生的所谓浮升力，所以自由流动又称为自然对流。 自由流动的速度除取决于流动受热或冷却的强度外，还与流体性质、 空间大小和形状等有关，与换热壁面的位臵有关。
第一节 对流换热及其影响因素分析
流体的流动状态是指流体流动的形态和结构。由流体力学理论可知，
流体的流动状态有层流和湍流之分。流体流过固体壁面时，层流边 界层与湍流边界层具有不同的换热特征和换热强度，因此研究对流 换热过程时，区分流体的流动状态极为重要。在层流边界层中，除 了由于分子可能从某一流层运动到相邻的另一流层中去而传递动量 以外，主要是依靠流层间的导热来传递热量的。在湍流边界层中， 由于湍流支层中还同时存在流体横向脉动的对流方式，使流体沿壁 面法线方向产生热对流作用而增强热传递，因此只有层流底层中是 以导热方式来传递热量的。在对流换热过程中，如果保持其他条件 相同，则流速高时的湍流与流速低时的层流相比，湍流的表面传热 系数α要比层流的表面传热系数α大好几倍。
第一节 对流换热及其影响因素分析
相变是指参与换热的液体因受热而发生气化现象，或参与换热的气
体（如水蒸气）因冷却放热而凝结的情况。这两种情况下的换热分 别称为沸腾换热和凝结换热，或统称为相变换热。流体有相变的对 流换热过程，具有一些新的特点，它与无相变的对流换热过程有很 大的差别。流体发生相变时，流体温度基本保持相应压力下的饱和 温度不变。这时流体与壁面间的换热量等于流体吸收或放出的潜热， 而气液两相的流动情况也不同于单相流动。所以有相变时与无相变 时的换热条件是不一样的。一般地说，对于同一流体，有相变时比 无相变时的换热程度要大得多。这是因为相态改变时物质的潜热参 与了换热过程，同时气泡或凝结水滴的运动也破坏了层流或层流底 层的运动性质，大大增强了流动的扰动性，使壁面法线方向出现了
第一节 对流换热及其影响因素分析
但流体的受迫流动要依靠泵或风机等消耗机械功来获得，流速越高
或流体粘度越大，需要克服的流动阻力越大。所以，工程上对高粘 性油类的加热或冷却，大多采用层流或接近于层流时的换热过程， 即使是低粘性的空气，由于密度小，管道口径小于10mm时，为了不 使流速过高，也常采用雷诺数较低的湍流，并不片面利用速度越高 表面传热系数越大的特性。 3.流体有无相变发生
强烈的热对流作用。
第一节 对流换热及其影响因素分析
4.流体的物理性质
第一节 对流换热及其影响，在温差和速度完全
相同的水和空气中，物体被加热或冷却的快慢相差很大。这主要是 因为水和空气的导热系数λ相差悬殊，以致在边界层中的导热热阻不 同，影响了表面传热系数α。但不能因此就简单地认为α与λ成正比， 因为包含λ的流体的导温系数a（a=λ/ρ）会影响流体在边界层的温度 分布，a越大，紧贴壁面的流体温度梯度会减少，减少的程度视流速 的大小而定。流体体积热容ρcp越高，a越小，热边界层中的温度梯 度越大，换热越强。流体的粘度越大，则使a减小，这是因为壁面对 流体流动的滞止作用将由于流体的粘性而更深入地传播到流体内部， 使层流底层加厚，因而减小了温度梯度。与此同时，因为流体的密 度ρ是决定自然对流强度的因素之一，势必对换热的强弱也要产生影
第十四章 对 流 换 热
第一节 对流换热及其影响因素分析
第二节 求解表面传热系数的方法 第三节 圆管受迫对流换热 第四节 自然对流换热 第五节 沸 腾 换 热 第六节 凝 结 换 热
第一节 对流换热及其影响因素分析
一、对流换热和牛顿冷却公式
1.对流换热的概念 热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对 位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发 生在流体中，而且由于流体分子同时在进行着不规则的热运动，因 而热对流必然伴随有热传导现象。工程上主要研究的是流体流经固 体壁面时流体与固体壁面之间的热量传递过程，称之为对流换热。 在对流换热过程中，不仅有离壁面较远处流体的对流作用，同时还 有紧贴壁面薄层流体的导热作用。因此，对流换热实际上是一种由 热对流和热传导共同作用的复合换热形式。 2.牛顿冷却公式
第一节 对流换热及其影响因素分析
受迫流动与自由流动具有不同的换热规律，由于机械力推动下的流
体流速可以大大超过自然对流的流速，所以表面传热系数的值也会 比自然对流时高。例如，夏天开电风扇，人会感到凉爽，这是因为 风扇引起的强迫对流增大了空气与人体表面的换热系数。实际上， 在有对流换热的情况下，流体受迫流动的同时，也会有自然对流存 在；不过，受迫流动的速度越大，自然对流的影响就越小，甚至可 忽略不计。 2.流体的流动状态
对流换热过程的热量传递是靠两种作用完成的，一是对流，流体质
点不断运动和混合，将热量由一处带到另一处，此为对流传递作用； 同时，由于流体与壁面以及流体各处存在温差，热量也必然会以导 热的方式传递，而且温度梯度越大的地方，导热作用越明显。显然， 一切支配这两种作用的因素和规律，诸如流动状态、流体种类和物 性、壁面形状及其几何参数等都会影响换热过程，可见对流换热过 程是一个比较复杂的物理现象。表面传热系数α从量上综合反映了对 流换热的强度。以下就几方面的影响因素作进一步的叙述。 1.流体流动产生的原因
第一节 对流换热及其影响因素分析
二、边界层的概念 1.速度边界层
第一节 对流换热及其影响因素分析
图14-1 边界层中的速度分布
第一节 对流换热及其影响因素分析
图14-2
流过平板时边界层的形成和发展
2.热边界层
第一节 对流换热及其影响因素分析
图14-3
热边界层示意图
三、影响表面传热系数的因素
第一节 对流换热及其影响因素分析