对流传热
传热学 第五章 对流传热
思路：
定性地分析对流传热的影响因素
深入讨论对流传热过程的数学描述 导出边界层问题的简化方程
给出相应的求解方法
3
2. 对流传热的特点 (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 流固之间存在温差 (3) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动 (4) 由于流体的粘性，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
自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差所产生的 浮升力所推动的流动
5
(2) 流动状态
层流：（Laminar flow ）流体微团沿主流方向做有规则的 分层运动，整个流场呈一簇互相平行的流线
湍流：（Turbulent flow ）流体质点做复杂无规则的运动，
流体各部分之间发生剧烈的混合。
(3) 流体有无相变
15
2. 动量守恒方程
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
F = ma
作用力：体积力（重力、离心力、电磁力） 表面力：切应力、z应力
16
应力形式的运动微分方程：
（1）
牛顿流体的本构关系：
1）达朗伯原理——两相邻正交截面上的剪切力互等 2）斯托克斯三假设
a) 流体各向同性，任一质点在的各个方向上物理性质都相同 b) 应力分量与变形速度成正比 c) 变形速度为零：切应力为零，法向应力为流体静压强 P
Note: 第三类边界条件中的h为已知量
12
§5-2 对流传热问题的数学描述
为便于分析，以二维对流传热问题为研究对象： 假设：a) 流体为连续性介质 b) 流体为不可压缩的牛顿流体
c) 所有物性参数（?、cp、?、? ）为常量 d) 粘性耗散热忽略不计 控制变量：速度 u、v；压力 p；温度 t 控制方程：连续性方程、动量方程、能量方程
第四节对流传热
含义
Nu
Re Pr Gr
L
lu
表示对流传热系数的准数
流体的流动状态和湍动程 度对对流传热的影响
Re
Cp
普兰特数 (Prandtl number)
格拉斯霍夫数 (Grashof number)
Pr
2
表示流体物性对对流传热 的影响
表示自然对流对对流传热 的影响
Gr
l g t
l —特征尺寸
基本因次：长度L，时间 ，质量 M，温度T 变量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
l
lu C p l g t K 2
3 2 a b c
Nu K Re Pr Gr
☺思考：与u、d有何比例关系？
0 . 023
d ( du
)
0 .8
(
cp
u
0 .8 0 .2
) 0 . 023
n
u d
0 .8 0 .2
0 .8
cp
0 .8
n
1 n
di
提高管内对流传热系数的措施： • u,u0.8 • d, 1/d0.2 • 流体物性的影响，选大的流体 •强化措施：增大流速，减小管径
第四节
给热系数
一、对流传热速率方程—牛顿冷却定律
Q At t 1 A
—牛顿冷却定律
热流体：
Q T A T TW
冷流体： Q t A t W t
牛顿冷却定律存在的问题：
Q
对流传热
对流传热4.3对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。
实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。
4.3.1对流传热过程分析流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。
由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的状况有关。
在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有层流和湍流。
层流流动时，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况。
流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。
层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。
导热为主，热阻大，温差大。
湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。
质点相互混合交换热量，温差小。
过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。
质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。
根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。
所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。
如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。
4.3.2 对流传热速率方程对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。
如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。
温度差主要集中在层流底层中。
假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt 有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。
对流传热
2019/2/18
①牛顿冷却定律 —— 对流给热的工程处理方法
由于对流给热的复杂性，难以直接严格的数学推导，求 出流体中的温度分布，从而得到壁面上的温度梯度，再得
出热流密度q。同时自然对流的影响难以定量估计。
工程处理方法：将对流给热的热流密度写成如下形式：
q (Tw T ) Q A(Tw T )
Nu K Re Pr Gr
a b
c
——无相变时对流传热系数的普遍关联式。 3、应用准数关联式应注意的问题 1）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。 2）特征尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。 3）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
2019/2/18
（1）定性温度：查取所需物性数据的温度基准
选择：本质上是对物性取平均值问题。
tw t tm 2
（壁温和主体温度的算术平均值）
壁温难以测定，以流体主体的平均温度（代 tm）简单 方便（进、出口温度平均值）
t进 t出 tm 2
2019/2/18
（2）特征尺寸：指对给热过程产生直接影响的几何尺寸
圆管特征尺寸取管径d 管内强制 对流给热
非圆形管，取当量直径
4 流动截面 de 传热周边
大空间自然对流，取加热或冷却表面的垂直高度。
2019/2/18
六、对流给热系数的经验关联式
传热过程的准数关系式
Nu K Rea Prb Gr c
通过因次分析得出
强制对流给热 液体无相变化的给热过 程 自然对流给热 化工中的对流给热 发生相变化的给热过程 蒸汽冷凝给热 液体沸腾给热
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t q 1 牛顿冷却定律， q t 二者比较 t t 热传导公式， q q t t 对流给热热阻可相当于某个
对流传热
表示自然对流影 响的准数
4、流体无相变时的对流传热系数 对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其 粘度小于2倍常温水的粘度的流体，可用 下式求取给热系数。
0.8 n Nu=0.023Re Pr
0.023d Re
0.8
Pr
n
式中 n值随热流方向而异，当流体被加热 时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。 应用范围：Re>10000， 0.7 < Pr < 120， L/di ≥60 。 若L/di <60，需将上式算得的α乘以 [1+(di/L)0.7]加以修正。
沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，
气泡产生和运动情况，对α 影响极大。 沸腾分类： ① 按设备尺寸和形状不同 池式沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾（有复杂的两相流）。 ② 按液体主体温度不同
液体主体
t
液体主体
t < ts
过冷沸腾：液体主体温度t < ts，
气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：t≥ts动，沿壁面法向没 有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热 方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此 热阻较大，温度梯度大。 2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热 传导和对流传热同时起作用，热阻较小。 3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度 基本均匀，无温度梯度。 因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层， 减薄其厚度是强化传热过程的关键。
2) 大容积饱和沸腾曲线 曲线获得：
实验，并以 t 作图
（t tw ts，即过热度）
实验条件: 大容积、饱和沸腾。
自然对流
h
核状沸腾
C
膜状沸腾
不稳 定膜 状
稳 定 区
4.3对流传热
p t s
（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大
30
27
r’=r+cp(tv-ts)
影响较小
(5) 传热面情况 设置导流槽，减薄液膜厚度，
（二）液体沸腾时的对流传热 大容器沸腾 和 管内沸腾 1、沸腾现象 沸腾必要条件： 存在汽化核心
在粗糙加热面的细小凹缝处：
汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面 新汽泡形成搅动液层 • 过热度 t=（t－ts）
（1）膜状冷凝 （2）滴状冷凝
冷凝过程的热阻——冷凝液膜 滴 > 膜
23
2、 蒸气在水平管外膜状冷凝
2 gr3 0.725 n2 / 3 d t 0
r——比汽化热
1 4
n——水平管束在垂直列上的管数
t s tW 定性温度：tSr，其它膜温 t 2
一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)
简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)
10
3、使用准数关联式时注意 （1）应用范围
（2） 特征尺寸
（3）定性温度 强制对流
无相变
自然对流
蒸汽冷凝 液体沸腾
有相变
11
四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式
（一）流体在管内强制对流传热
L Nu
表示对流传热系数的特征数
（2）雷诺（Reynolds）数
Re
L u
反映流体的流动状态 对对流传热的影响
9
（3） 普兰特（Prandtl）数
Pr
Cp
L gt
3 2
反映流体的物性对对流传 热的影响
§3、对流传热(给热)
§3、对流传热（给热） 本节共 页一、对流传热过程分析δ：传热边界层厚度 δb ：层流内层 δf ：虚拟厚度 上图表示垂直放置的列管式热交换器中一根管的节点剖面示意图。
这种传热方式经常碰到：即热量从热流体通过固体传热壁面传给冷流体，这种传热过程称为给热。
它分三个阶段: 1、热量自热流体传到固体壁面的一侧2、从壁面的一侧传到另一侧3、从壁面的一侧传到冷流体在靠近壁面有一厚度为δb 的层流内层存在，穿过δb 的热量只能靠传导。
这是由于流体质点运动方向与传热方向垂直又不混合，流体的导热系数λ又小，尽管δb 很薄，但对传热的阻力却很大，故传过一定的热量温度梯度较大。
通过实验测定：δb 内的温度变化往往占一侧流体温度变化的90%以上。
所以对传热速率往往具有决定性的影响。
在层流内层以外的过渡区。
流体质点的运动开始出现混合，但仍有温度梯度存在。
热量由层流内层经过渡区传到湍流主体内。
在湍流主体内，流体质点充分混合，温度趋于一致。
由上所述，对流传热是层流内层的导热和层流内层以外的对流传热的总称。
对流传热 受热传导的控制受流动规律的支配所以对流传热为一复杂的过程。
为了便于处理起见，我们把对流传热看作为相当于通过厚度为δ的传热边界层的导热过程（将温度梯度有显著变化的区域称为传热边界层）。
而在传热边界层中包括了真实的层流内层的厚度δb 和与层流内层外的与其热阻相当的虚拟厚度δ f 。
即δ=δb ＋δf即把层流内层之外的热阻折合成的厚度δ f 。
必须指出：δf 是不存在的，它完全是为了处理问题的方便而假设的。
二、对流传热基本方程把流体对流传热过程看作是通过传热边界层的导热，可以把对流传热用理论上较为成熟的导热原理来处理。
1、当壁面向冷流体给热时)(t t A w -=Φδλ （1） 式中：t w — 壁面温度t — 冷流体的温度δ— 传热边界层的厚度实际上传热边界层的厚度δ不能测定，因为δ包括虚拟的厚度δ f 。
第八章：对流传热
k
dt
.......... .. 8 5
y
0
t s t0 dy
式(8-5)即为稳态传热时，平板壁面局部对流传热系数 hx与壁面流体温度梯度
的关系式。
在许多场合，局部对流传热系数 hx 在流体流动方向上是不同的。在实际计算
中，常取流体流过距离 L 的平均对流传热系数 hm，即：
设壁面温度(ts)高于流体温度(t0)，则对于某一壁面距离x 处的微元面积 dA 而言，
流体与壁面间的对流传热速率 dq可表示为：
dq hx dA t s t0 .......... .... 8 2
由于紧贴壁面的一层流体其速度为零，故通过该微元面积向流体的传热以热
传导方式进行，因此传热速率可用 Fourier 定律描述，即：
流传热的理论分析。
在本章的学习中善于对比动量传递与热量传递研究的相似性，便于理解和掌
握相关的研究思路及方法。
2
第一节 对流传热的机理与对流传热系数
一、对流传热机理
通常将运动流体与固体壁面之间的热量传递过程统称为对流传热。包括：强
制对流(强制层流、强制湍流)、自然对流、蒸汽冷凝及液体沸腾等形式。工
程上常见的是强制湍流传热，强制湍流传热可获得较大的传热速率。
的 99％ 时的 y 方向距离为温度边界层的厚度 δt ，即：
t yt t sBiblioteka 99%t0 t s
δt 为流动距离 x 的函数。
5
第一节 对流传热的机理与对流传热系数
当流体流过圆管进行的传热时，流体最初以均匀的速度u0和均匀的温度t0 进入
管内，因流体受壁面温度的影响，温度边界层的厚度由管进口处的零值逐渐增
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
传热学第三章对流传热
1.下列各参数中，属于物性参数的是：
(1)传热系数K
(2)吸收率a
(3)普朗特数Pr
(4)传热系数he
2.流体纯自然对流传热的准则方程可写成
⑴Nu=f(Re,Pr)(2)Nu=f(Gr，Pr)
(3)Nu=f(Re，Gr，Pr) (4)Nu=f(Bi，Fo)
3.流体掠过平板对流传热时，在下列边界层各区中，温度降主要发生在：
27.如果流体的流动是由流体内部温差产生的密度差引起的，称为。
(1)强迫对流(2)自由运动(3)湍流对流(4)层流对流
28.对流传热微分方程组包括。
I、付立叶定律U、对流传热微分方程川、基尔霍夫定律W、连续性
方程V、动量微分方程 切、能量微分方程
(1)nmwv(2)inmw⑶hwvw(4)
29.Num其特征温度为。
(1)壁面过热度，4(2)壁面过热度，6
(3)热流密度，4(4)热
流密度，6
22•对流传热微分方程组共有几类方程？
(1) 2⑵3(3)4⑷5
23.凝结液能很好的润湿壁面，形成完整的膜向下流动，称为。
(1)凝结(2)膜状凝结(3)珠状凝结⑷稳态凝结
24.下列哪个不是影响对流传热的主要因素？
(1)流动起因；
8.
9.
定型准则是指：
(1)包含定型尺寸的准则
(3)含有待求量的准则 工程中，较为常用的沸腾工况是指：
(2)全部由已知量构成的准贝U
(4)待定准则
10.
11.
12.
(1)膜态沸腾(2)核态沸腾(3)自然对流沸腾(4)以上都不是
下述哪种手段对提高对流传热系数无效？
(1)提高流速(2)增大管径
(3)采用入口效应⑷采用导热系数大的流体
对流传热分析和计算
对流传热分析和计算传热是物质内部或不同物体之间热量传递的过程，对流传热是其中一种重要形式。
通过对流传热的分析和计算，我们可以更好地理解和应用这一过程，以满足需求和优化能源利用等方面的目标。
本文将介绍对流传热的基本原理、分析方法和计算模型。
一、对流传热的基本原理对流传热是指通过流体（如气体或液体）的运动，将热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在对流传热中，流体既可以通过自然对流（由密度和温度梯度引起的流动），也可以通过强制对流（通过外部装置引起的流动）来实现热量的传递。
对流传热的基本原理可以通过牛顿冷却定律来描述，即传热速率与温度差成正比。
牛顿冷却定律的一般表达式如下：q = h * A * (T1 - T2)其中，q表示单位时间内传递给或从物体中传出的热量；h为对流传热系数，代表了对流传热的特性；A为接触面积；T1和T2分别为两个物体的温度。
二、对流传热的分析方法对流传热的分析方法主要包括实验分析和数值模拟两种。
1. 实验分析实验分析是通过实际测量和观察来研究对流传热的过程和特性。
常用的实验方法包括热电偶测温法、平板法、圆管法等。
通过实验，我们可以获取到对流传热系数、传热速率等重要参数，为其他工程和研究提供参考和依据。
2. 数值模拟数值模拟是利用计算机和数值方法对对流传热进行模拟和计算。
通过建立数学模型、采用数值算法和边界条件，我们可以通过计算得到对流传热的各种参数和特性。
常用的数值模拟方法有有限元法、有限体积法和计算流体力学（CFD）等。
三、对流传热的计算模型对流传热的计算模型是通过数学方程和物理模型来描述和计算对流传热的过程。
在对流传热的计算模型中，需要考虑流体的性质、流动的速度和流动的特性等因素。
1. 粘性流体模型在粘性流体模型中，对流传热的计算将考虑流体的黏性和流速的分布等因素。
一般来说，黏性流体模型适用于流速较低、流动较平稳的情况。
2. 湍流模型湍流模型适用于流速较高、流动较复杂的情况。
上4章传热3第三节对流传热概述
4-3-1 对流传热速率方程和对流传热系数
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
工程定义： 工程定义： 流体与固体壁面之 间的传热过程 简化假定： 简化假定： 认为全部阻力都集 中在有效膜δt内 中在有效膜 内
δt
1
一、对流传热速率方程
依据傅立叶方程得： 依据傅立叶方程得：
8
说明： 说明：
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
(1）流动边界层对传热边界层影响显著，改善流 ）流动边界层对传热边界层影响显著， 动状况，减薄层流内层厚度，可使传热速率大大 动状况，减薄层流内层厚度， 提高。 提高。 （2）α ）
进口段>
α
所以换热管长度 充分发展的流动段，所以换热管长度
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
流体及 温差， 流体 及 温差 ， -(dt/dy)w↑→α↑ 。 (dt/dy)w 与流体流 动状态、传热位置等多种因素有关。 动状态、传热位置等多种因素有关。对流传热系数 不是流体的物理性质. 不是流体的物理性质 一般， 一般，α气<α液，α自然对流<α强制对流，α无相变<α有相变。
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
令：
T Tw dQ = = α(T Tw )dS (4-23) 1/(αdS)
牛顿冷却定律
及诸多影响因素, 包含λ及诸多影响因素, 亦沿流向变化, 亦沿流向变化,在此称为 局部对流传热系数” “局部对流传热系数”.
2
对于圆管传热面及冷热流体走 壳程， 对于圆管传热面及冷热流体走管 / 壳程，上式 圆管传热面及冷热流体 又有不同的形式： 又有不同的形式：
第二节 热对流
（2）流体在管内层流流动时，不仅靠近管壁处而且沿整
个管截面流体，都是一层一层地平行流动，此时为δ最大，则 α最小，所以有α滞<<α湍 。
2.流体的物理性质
对α影响较大的特性有：CP，λ，ρ，μ等。 λ↑→α↑；CP↑→α↑；ρ↑→α↑；μ↑→Re↓→α↓ 易知这些物理性质不仅随着物质种类变化，而且也随着温度、 压力而变化。
将各个物理量的单位代入上式得：
M 3T 1 K [ L 1 ]a [ L]b [ ML1 1 ]c [ ML 3T 1 ]d [ ML3 ]e [ L2 2T 1 ] f
根据因次一致性原理，等式两边各基本单位的指数对应相 等，则得到四个方程，而其中有6个未知数，需指定其中两个 (如a，f)为已知，求出其余4个得：
t t R 加热 反之，被冷却时恰好相反。
由此知它们涉及到四个基本因次，即长度L、质量M、时间 θ和温度T。按前面介绍的π定理，过程的无因次数群的数目N N nm 74 3
4.3.4 对流传热的因次分析
1.无相变时的强制对流传热过程 将式(4-18)改写成幂函数的形式：
f Ku al b c d e cP
据有效膜模型，对流传热可以用热传导的方式处理。若热流 体向壁面作一维稳定传热，则传热速率由傅立叶定律得：
t dt Q A A n dx Q A (T TW )
Q——对流传热速率，W；
A——传热面积，m2； T——热流体侧主体的平均温度，℃； TW——与热流体相接触一侧的壁面温度，℃； δ——有效膜厚度，m2。
f ( , , c p , , gt , l )
式中7个物理量涉及4个基本单位，所以有3个无因次准数。其推 导过程同上，得： 3 2
第九章对流传热
f
d f
2
d
2
d f
3
d
3
0 （9-30a）
这是一个仅为η的函数的三阶非线 性微分方程。对应的边界条件变为：
y 0时, u x 0, y 0时, u y 0, y 时, u u , x 0
0时, f 0 (由9 25得) 0时, f 0 (由9 26得) 时, f ' 1 (由9 25得)
由流体主体至壁面的 温度分布如图所示
tb
为了简化起见，可采用流体平均主体温度与 壁面间的温度差作为流体与壁面的温度差。 全部热阻均集中在壁面附近厚度为 δ f的流体 膜内，在此情况下，膜内的的热阻方式可视为 导热。
根据傅立叶定律，传热速率的表达式为：
q k t f ts A f
（9-1）
平板上和圆管内的温度边界层如图所示： y ts
x
u 0 t0
t0
t t
t0
r r
ts 流体以匀速u0和均匀温度t0流过温度为ts的平 板。由于流体与壁面之间发生热量传递，在y 方 向上流体温度将发生变化。热边界层厚度δt在 x ＝0处也为零，然后随x的增加也逐渐增厚。
圆管内热边界层的形成与发展也类似，热边 界层厚度由进口的零值逐渐增厚，经过一个 x 距 离后，在管中心汇合。
由此可得：
（9-6）
k dt h t0 ts dy
y 0
（9-7）
由此看来，要想求出h，关键是计算 壁面的温度梯度
其步骤是：
运动 方程 速度分 布函数 连续性 方程 能量 方程 温度分 布函数 膜 系数
很显然，只有层流状态下，才能 进行严格的求解，而对于湍流， 目前还只能依靠经验方程。
5.3.14.3.1对流传热过程
Q At At tw
对流传热系数，W/m2K
该式称为对流传热速率方程，也叫牛顿冷却定律。
牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即
Q 它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。
At 5
对流传热过程
影响的因素主要有：
1.引起流动的原因：自然对流和强制对流 2.流动型态：层流或湍流 3.流体的性质：、、cp、等 4.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、管内与管外等 5.有相变与无相变： cp或汽化潜热r
强制对流----湍流流动的流体与外界的传热
无相变 有相变
①强制对流传热 ②自然对流传热 ①蒸气冷凝 ②液体沸腾
电热炉烧水
3
对流传热过程
对流传热的有效膜模型
（1）将流体的过渡区和湍流主体 的热阻叠加到层流底层，构成一 厚度为δ的流体有效膜。
（2）膜内为层流流动，膜外为湍 流，热阻全部集中在有效膜内。
主要内容
➢对流传热过程 ➢因次分析法在对流传热中的应用 ➢管内强制对流传热 ➢管外强制对流传热 ➢冷凝传热 ➢沸腾传热 ➢自然对流传热
对流传热过程
对流传热过程
回忆：什么是对流传热？
t
tw
Q 近壁面 传热放
t1
流向
大图
Q
t2
Q
边界层是对流传热 的主要热阻所在。
自然对流----静止流体、层流流动流体与外界的传热
（3）当流体湍流程度增大时，有 效膜厚度δ变薄，对流传热速率 会增大。
热流体 T
传热方 向
冷流体
Tw tw
温度 t
传热壁面
层流 底层
对流传热
• 特征尺寸为管内径 i 特征尺寸为管内径d 注意事项： 流体被加热时， ＝ ； 注意事项： • 流体被加热时，n＝0.4； 被冷却时，n＝0.3。 被冷却时， ＝ 。
ρ cp λ λ duρ 0.8 c p µ n u α = 0.023 ( ) ( ) = 0.023 0.2 ⋅ 0.8 d µ λ d µ
Nu = m Re Pr Gr
a b
c
αl Nu = λ duρ Re = µ
Pr = cpµ
（努塞尔特准数）
Nusselt，表征传热系数的准数 ，
Reynolds，流动型态对对流传热的影响 ，
（雷诺准数）
λ
（普朗特准数）
Prandtl，流体物性对对流传热的影响 ，
βg∆tl 3 ρ 2 Gr = Grashof，自然对流对对流传热的影响 ， 2 µ （格拉斯霍夫准数）
α∝
u 0 .5 5 de
0 .4 5
提高壳程对流传热系数的措施： 提高壳程对流传热系数的措施： 1） u ↑ ） 2） ）
α ↑; 但 u ↑ 流 动 阻 力 ∝ u , h f ↑
2
de ↓ α ↑
3）加强湍动，α↑ ）加强湍动， 注意：换热器无折流挡板时， 注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管 束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子 对流给热系数按管内强制对流计算， 的内径换为当量直径。 的内径换为当量直径。
f = 1−
6 × 10 Re
5
1.8
<1
(4) 弯曲管内
δ↓ α↑
d ε R = 1 + 1.77 > 1 R
§3.5 对流传热
自然对流的实例： 若密度由小到大对应的空间位置
密度大
是由低到高，则受重力作用流体
可发生流动。
密度小
自然对流的演示实验如下图所示.
（一） 大气环流
(二)强迫对流传热和人的体温调节
太阳能热水器
§3.5.2 牛顿冷却定律
在实际的传热过程中，热传导、辐射与对流这三种 形式一般都存在，其过程较为复杂。
§3.5 对流传热
§3.5.1 自然对流 *大气环流 *人的体温调节
对流传热是热传递的三种方式之一。
对流传热常指借助流体的循环流动达到传热的过 程。
对流传热有自然对流与强迫对流之分。
自然对流中驱动流体流动的是重力。
当流体内部存在温度梯度，进而出现密度梯度时，较 高温处流体密度一般小于较低温处流体的密度。重力可 能驱动流体做循环流动。
将上式写为如下形式
•
Q a(T T0 )
• 对于固体热源，当它与周围介质的温度差不太大 （约50 ℃以下）时，热源向周围传递的热量与温度 差成正比，其经验公式就是牛顿冷却定律。
•
牛顿冷却定律 Q hA(；T 为热源温度，A 为与热源接触 的表面积，h 为一与传热方式等有关的常量，称热适
应系数。 • 对于一结构固定的物体（例如某一建筑物），也可
对流传热
对流传热第一题：知识点总结（一）对流传热概述1、对流传热：流体流过固体壁时的热量传递。
传热机理：热对流和热传导的联合作用热流量用牛顿冷却公式表示：Φ=hA△t其中对流传热面积A，温差△t，对流传热系数h2、影响对流传热系数的因素（1）流动的起因：>由于流动起因的不同，对流换热分为强迫对流传热与自然对流传热两大类。
（2）流动速度：>根据粘性流体流动存在着层流和湍流两种状态，对流传热分为层流对流传热与湍流对流传热两大类。
（3）流体有无相变：同种流体发生相变的换热强度比无相变时大得多。
（4）壁面的几何形状、大小和位置：对流体在壁面上的运动状态、速度分布和温度分布有很大影响。
（5）流体的热物理性质：影响对流传热系数有热导率λ，密度，比定压热容，流体粘度，体积膨胀系数。
综上所述，影响对流传热系数h的主要因素，可定性地用函数形式表示为h=f（v，l，λ，，，或，，）（二）流动边界层和热边界层1、流动边界层特性：（1）流体雷诺数较大时，流动边界层厚度与物体的几何尺寸相比很小；（2）流体流速变化几乎完全在流动边界层内，而边界层外的主流区流速几乎不变化；（3）在边界层内，粘性力和惯性力具有相同的量级，他们均不可忽略；（4）在垂直于壁面方向上，流体压力实际上可视为不变，即=0；（5）当雷诺数大到一定数值时，边界层内的流动状态可分为层流和湍流。
2、热边界层定义：当流体流过物体，而平物体表面的温度与来流流体的温度不相等时，在壁面上方形成的温度发生显著变化的薄层，称为热边界层。
热边界层厚度：当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即=0.99，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度记为。
与δ一般不相等。
3、普朗特数流动边界层厚度δ反应流体分子动量扩散能力，与运动粘度有关；而热边界层厚度反应流体分子热量扩散的能力，与热扩散率a有关。
==它的大小表征流体动量扩散率与热量扩散率之比（三）边界层对流传热微分方程组1、连续性方程+=02、动量微分方程根据动量定理可导出流体边界层动量微分方程流体纵掠平壁时3、能量微分方程热扩散率a=边界层能量微分方程式：+=4、对流传热微分方程-------x处的对流传热温差------流体的热导率-------x处壁面上流体的温度变化率（四）、管内强迫对流传热1、全管长平均温度可取管的进、出口断面平均温度的算术平均值作为全管长温度的平均，即=（）2、层流和湍流的判别由雷诺数Re大小来判别针对管内流动，当Re<2200时为层流；Re>1×时为湍流；2200<Re<1×时则为不稳定的过渡段（1）管内流动：（2）板内流动：湍流强迫对流传热管内强迫对流平均对流传热系数特征数关联式为：=0.023R P:考虑边界层内温度分布对对流传热系数影响的温度修正系数；:考虑短管管长对对流传热系数影响的短管修正系数；:考虑管道弯曲对对流传热系数影响的弯管修正系数。
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对流传热
摘要：依靠流体微团的宏观运动而进行的热量传递。
这是热量传递的三种基本方式之一。
化工生产中处理的物料大部分是流体，流体的加热和冷却都包含对流传热。
在化工生产中，对流传热在习惯上专指流体与温度不同于该流体的固体壁面直接接触时相互之间的热量传递。
这实际上是对流传热和热传导两种基本传热方式共同作用的传热过程。
例如间壁式换热器中的流体与间壁侧面之间的热量传递，反应器中固体物料或催化剂与流体之间的热量传递，都是这样的传热过程。
关键词：热量传递、流体、固体壁面、传热过程。
1对流传热速率方程和对流传热系数
1.1对流传热速率方程
以热流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为
dS T T dS T T dQ w w )(1
-=-=αα (1-1)
式中 dQ —局部对流传热速率，W ；
dS —微分传热面积，m 2；
T －换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃；
T w —换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温
度，℃；
α－比例系数，又称局部对流传热系数，W ／(m 2·℃)。
方程式1-1又称牛顿(Newton)冷却定律。
1.2对流传热系数
牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即 t S Q
∆=α
由此可见，对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W ／(m 2·℃)，它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。
对流传热系数α与导热系数人不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。
表4-1 对流传热系数数值的范围
传热方式 对流传热系数 W/（m2·K）
空气自然对流 5 ～ 25
气体强制对流 20 ～ 100
水的自然对流200 ～1000
水的强制对流1000 ～ 15000
油类的强制对流50 ～ 1500
水蒸气的冷凝5000 ～ 15000
有机蒸汽的冷凝500 ～ 2000
水的沸腾2500 ～ 25000
2影响对流传热系数的因素
2.1 α的物理意义
α的物理意义是，当流体截面平均温度与壁面温度的差值为1︒C时，单位时间通过单位传热面积传递的热量。
与导热系数λ不同，对流传热系数α的值不仅与流体的性质有关，还与流动状态以及传热壁面的形状、结构等有关，此外，同流体在传热过程中是否发生相变化也有关。
α的大小反映了该侧流体对流传热过程的强度，因此，如何确定不同条件下的α值，是对流传热的中心问题。
还应指出，在不同的流动截面上，如果流体温度和流动状态发生改变，α值也将发生变化。
因此，在间壁换热器中，常取α的平均值作为不变量进行计算。
2.2实验表明，影响对流传热系数的主要因素有：
（1）流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否胡相变化。
胡相变化时对流传热系数比无相变化时大的多；
、导热系数λ、（2）流体的物理性质：影响较大的物性胡密度р、比热C
p
粘度μ等；
（3）流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；
（4）流体对流的状况：自然对流，强制对流；
（5）传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。
由上述分析可见，影响对流传热的因素很多，故对流传热系数的确定是一个极为复杂的问题。
在一般情况下，对流传热系数沿不能推导出理论计算式，而只能通过实验测定。
3对流传热机理
3.1对流传热分析
流体的运动对传热过程有强烈影响。
当边界层中的流动完全处于层流状态时，垂直于流动方向上的热量传递虽然只能通过流体内部的导热，但流体的流动造成了沿流动方向的温度变化，使壁面处的温度梯度增加，因而促进了传热。
当边界层中的流动是湍流时，壁面附近的流动结构包括湍流区、过渡区和层流底层。
湍流区垂直于流动方向上的热量传递除了热传导外，主要依靠不同温度的微团之间剧烈混合，即依靠对流传热。
此传递机理与湍流区中的动量传递机理十分类似3.2热边界层
正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流的温度和壁面的温度不同，必然会形成热边界面(又称温度边界层)。
平板上热边界层的形成和发展如图3-1示。
图3-1的热边界层
由图可以看出，热边界层愈薄则层内的温度梯度愈大。
若紧靠壁面附近薄层流体(滞流内层)中的温度梯度用(dt ／dy)。
表示，由于通过这一薄层的传热只能是流体间的热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即
w dy dt dS dQ )(λ-= (3-1) 式中λ—流体的导热系数，W ／(m ·℃)
y —与壁面相垂直方向上的距离，m ；
w
dy dt ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛—壁面附近流体层内温度梯度，℃／m 。
w w w dy dt t dy dt T T )()(∆-=--=λλ
α (3-2)
式3-2传热系数α的另气定义式。
该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。
热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。
当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，α就愈大。
反之则相反。
4流体无相变时的对流传热系数
4.1直管内作强制湍流
4.1.1低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体
（4-1） （4-2）
n
r e u P R N 8.0023.0=n r P du d 8.0023.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=μρλα或
4.1.2 高粘度的液体
（4-3） 4.2内作强制滞流
（4-4） 4.3流体在圆形直管内呈过渡流
对于Re=2300~10000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数f 。
（4-5）
5流体有相变时的对流传热系数 蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝
假设： ① 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。
② 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 ③ 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。
④ 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。
（5-1）
参考文献
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[2]叶丽娟.对流传热系数准数关联式的探讨[J].郴州师范高等专科学校学报,2000(8):68～70.
[3] 陈涛.张国亮.化工传递过程基础[M].北京：化学工业出版，2008. 14
.033.08.0027.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=w r e u u P R N μ14
.0313131
86.1⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=w r e u L d P R N μμ8.15
1061e
R f ⨯-=4132943.0⎪⎪⎭⎫
⎝⎛∆=t H r g μλρα。