第5章 对流传热的理论基础汇总

解决对流传热问题的关键是确定表面传 热系数h。影响对流传热过程表面传热系 数的因素包括五个方面：
（1）流体流动起因（强制还是自然对流）百度文库（2）流体有无相变 （3）流体的流动状态（层流还是湍流） （4）换热面的几何因素（表面形状、大小、
与流体运动方向的相对位置及换热表面 的状态） （5）流体的物理性质（密度、粘度、导热 系数及定压比热容）
比拟方法和数值法本课程不做介绍。
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（1）分析法
建立对流传热问题的数学描写，并采用解析方法求解得到速度场 和温度场，进而得出h与有关影响因素间规律。
分析解的优点：能揭示各物理量对表面传热系数的依变关系，而 且是评价其他方法所得结果的标准与依据。
但由于对流传热问题的复杂性，目前仅能对少数简单的对流传热 问题能得到其解析解，如流体层流纵掠平板、圆管内的层流对流 传热及竖壁的膜状层流凝结对流传热等问题。
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（4）数值法
建立对流传热问题的数学描写，并采用数值方法求解，得出h与有关 因素间规律。
近年来，随着计算机的普及及数值求解方法的进步，该方法得到了迅 速的发展和普及，出现了很多商业计算传热学软件，如FLUENT等。
有相变沸凝腾结传传热热管管 管 大内内 外 容沸凝 凝 器腾结 结 沸腾
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主要分类依据：有无相变（有相变
的话，凝结还是沸腾）；流动起因，
混合对流
强制还是自然对流；换热表面几何 因素，内部还是外部（外部的话， 横掠还是纵掠）；流体的流动状态， 层流还是湍流。 注意：流体种类不是分类的依据
对流传热无相变自强然制对对流流有 大内外限 空部部空 间流流间 自动动自 然圆其外 外 外 外射然 传管他掠 掠 掠 掠流传 流内形其 圆 单 平冲流强状他 管 根 板击制截截 管 圆 的传对面面 束 管 对热流管形 的 的 流传道状 对 对 传热内柱 流 流 热的体 传 传对的 热 热流对传流热传热
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（3）比拟法
比拟法是通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起 表面传热系数与摩擦阻力系数之间的相互关系的研究方法。
应用比拟法可通过比较容易用实验测定的阻力系数来获得相应的表面 传热系数的计算公式。在传热学发展的早期，这一方法曾广泛用来获 得湍流对流传热的计算公式。
但随着实验测试技术及计算机技术的迅速发展，其实用价值已不大， 近年来已较少应用。但比拟法所依据的动量传递与热量传递在机理上 的类似性，对理解与分析对流传热过程很有帮助。
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5.1.2 对流传热现象的分类
由前面分析可知，影响对流传热过程表面传热系数的因素很多，并且 规律很复杂，因此不可能找到一个统一的表面传热系数的计算公式 （理论或经验）能把各种复杂因素都考虑进去。
在对流传热研究的发展过程中，人们首先把对各种对流传热问题按主 要影响因素分门别类，然后再对各种具体类别的对流传热问题进行针 对性研究，得出其表面传热系数的计算公式。
注意“对流传热”和“热对流”概念的区别 及联系。
对流传热过程的规律要比单纯的热传导过程的规律复杂。
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§5.1 对流传热概说
5.1.1 对流传热的影响因素 5.1.2 对流传热现象的分类 5.1.3 对流传热的研究方法 5.1.4 如何从解得的温度场来计算表面传热系数
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5.1.1 对流传热的影响因素
对于对流传热问题，由于问题的复杂性，在相似理论指导下通过实验 方法得到的实验关联式目前仍然是最主要的获得各种类型对流传热问 题的表面传热系数的途径，也是本课程学习的重点（第六章主要内 容）。这与热传导和辐射传热问题的求解方法有很大的不同。
另外，虽然仅有极少数情况能够得到解析解，但分析方法对于分析对 流传热问题的本质具有重要意义，因此，对一些简单对流传热问题的 分析求解方法特别是数学描述的建立过程及边界层理论我们也做适当 介绍（第五章主要内容）。
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（2）实验法
实验研究法是通过建立实验装置，测量不同实验条件下的表面传热系 数，从而得出表面传热系数h与有关因素间规律的一种对流传热问题 的研究方法。
为了减少实验次数、提高实验测定结果的通用性，传热学的实验测定 应当在相似原理的指导下进行。
实验方法的优点是结果比较可靠，并且几乎适用于所有的对流传热问 题，包括目前仍然不能建立其数学描述的复杂传热问题。缺点是成本 高、耗时耗力，且实验结果的应用范围受到一定限制等。
（流体种类的影响在Pr数中考虑）； 另外，本书不涉及非稳态对流传热
有相变沸凝腾结传传热热管管 管 大内内 外 容沸凝 凝 器腾结 结 沸腾
问题。
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表中的各种典型对流传热情况的表面传热系数的量级应当记住！！！
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5.1.3 对流传热的研究方法
获得表面传热系数h表达式的方法主要有四种（1）分析法；（2）实 验法；（3）比拟法；（4）数值法。
对单位面积接触面： q ht
对面积为A的接触面： hAtm
研究对流传热问题的关键和难点是确定公式中的表面传热系数h.
式中，tm为换热面积A上的平均温差。约定q及总是取正值,因此t及 tm也总是取正值.
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对流传热的机理
对流传热是由流体宏观流动所产生的热量转 移（热对流）以及流体中分子的微观热运动 所产生的热量转移（热传导）联合作用的结 果。即： 对流传热 = 热对流 + 热传导
第5章 对流传热的理论基础
5.1 对流传热概说 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 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论
本章小结及作业
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§5.1 对流传热概说
对流传热: 流体流过固体壁面时，流体与固体间所发生热量交换的现象 对流传热量的计算（牛顿冷却公式）：
目前常用的对流传热分类方法如下图所示。其中每一类别按流态不同 都有层流和湍流之分，其对流传热规律也不同。
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对流传热的分类树
混合对流
对流传热无相变自强然制对对流流有 大内外限 空部部空 间流流间 自动动自 然圆其外 外 外 外射然 对管他掠 掠 掠 掠流对 流内形其 圆 单 平冲流强状他 管 根 板击制截截 管 圆 的传对面面 束 管 对热流管形 的 的 流传道状 对 对 传热内柱 流 流 热的体 传 传对的 热 热流对传流热传热