传热学第五章-对流换热五学时-对流传热

传热学

（Heat Transfer ）

(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

2.热对流(Heat Convection)

★热对流实例：

对流层冷暖气流的运动

火焰从下加热汤锅

例：

Convection heat transfer coefficient

h —表面传热系数Φ

—热流量[W]，单位时间传递的热量

q []2m W —热流密度[]

流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量

影响

h 因素：流速、流体物性、壁面形状大小等

(4)对流传热系数(表面传热系数)

(5)对流传热的分类

★按流体运动的起因分为：强迫对流和自然对流。

干燥箱中的强迫对流暖气片中的自然对流

导热微分方程式及定解条件

第五章对流传热

第五章对流传热的理论基础

5.1 对流传热基本概念 5.2 对流传热问题的数学描写 5.3 边界层对流传热问题的数学描写 5.4 流体外掠平板传热的层流分析解

流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面积上、单位时间传递的热量。

层流（Laminar flow）：流体微团沿主流方向作有规则的分层运

动，整个流场呈一簇互相平行的流线。

层流

湍流h h

热导率 ]C)(m W [ ⋅λ密度

]m kg [ 3

ρ流体的物性将通过一个特殊的无量纲数来专门反映。

在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以根据傅里叶定律：,x w q -=壁面附近温度分布示意图

第五章对流传热

第五章对流传热的理论基础 5.1 对流传热基本概念

5.2 对流传热问题的数学描写

5.3 边界层型对流传热问题的数学描写 5.4 流体外掠平板传热的层流分析解

流体的连续流动遵循质量守恒规律

从流场中(x, y) 处取出边长为dx、dy 的微元体

1)质量守恒方程(连续性方程)

M 为质量流量[kg/s]

流体的连续流动遵循质量守恒规律

从流场中(x, y ) 处取出边长为dx 、dy 的微元体udy M x ρ=单位时间内、沿x 轴方向、

经x 表面流入微元体的质量

dx x

M M M x x dx x ∂∂+=+单位时间内、沿x 轴方向、经

x+dx 表面流出微元体的质量泰勒展开

2)动量守恒方程

动量微分方程式描述流体速度场

牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力的总和等于

控制体中流体动量的变化率

作用力= 质量⨯加速度（F=ma）

作用力：体积力、表面力

体积力:重力、离心力、电磁力

表面力：静压力和粘性应力

的区别：

压力p和法向粘性应力τ

ii 动量守恒方程推导中的微元体

a) 无论流体流动与否，p都存在；而τii只存在于流动时

b) 同一点处各方向的p都相同；而τii与表面方向有关

微元体的能量守恒：——描述流体温度场

[导入与导出的净热量] + [热对流传递的净热量] +[

内热源发热量] = [总能量的增量] + [对外作膨胀功]

Q = ∆E +W

内热源

对流导热—Q Q Q Q ++ （动能）

热力学能—K U U E ∆+∆∆W —体积力(重力)作的功、表面力作的功

（2）流体不可压缩

（4）无化学反应等内热源Q 内热源=0

（3）粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计

W ＝0（1）流体的热物性均为常量，流体不做功

假设：能量微分方程推导中的微元体3)能量微分方程导出

能量微分方程推导中的微元体,W

单位时间内、沿x 方向热对流传递到微元体的净热量：

dxdy x ut c dx p x ∂∂-=)(ρ能量微分方程推导中的微元体

对流传热系数的确定方法

1）微分方程式的数学解法

a）精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到

边界层微分方程组常微分方程求解b）近似积分法：（本课程不介绍）

假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程

c）数值解法：近年来发展迅速（本课程不介绍）

可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速2）动量传递和热量传递的类比法

利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍流时

的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数

3）实验法

对流传热过程的单值性条件

1)几何条件单值性条件：能单值地反映对流传热过程特点的条件单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界

完整数学描述：对流传热微分方程组+单值性条件平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等

对流传热过程中的几何形状和大小

2)物理条件如：物性参数λ、ρ、c 和η的数值，是否随温

度和压力变化；有无内热源、大小和分布

对流传热过程的物理特征

3)时间条件稳态对流传热过程不需要时间条件—与时间无关

在时间上对流传热过程的特点

4)边界条件对流传热过程的边界特点

边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件

a第一类边界条件

已知任一瞬间对流传热过程边界上的温度值

b第二类边界条件

已知任一瞬间对流传热过程边界上的热流密度值