对流换热-1PPT课件
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同时，分子的微观运动没有停止，流体微团内部以导 热的形式传向离壁面稍远的流体层-----热扩散
热扩散
热对流
被加热的流体向前运动，带走了一部分热量，从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少；流体中的温 度变化率也逐渐衰减
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) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； 也必须有温差
h (有碍流体流动、热 不对 利流 )于
48-17
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
hf(v,Tw,Tf,,cp,,,,l,Ω )
研究重点：揭示出表面传热系数与影响它的有关物 理量之间的内在联系，确定表面传热系数
三、对流传热现象的分类 外掠单管
强迫对流 无相变
外部流动 外掠管束 外掠平板
圆管内受迫流动 内部流动 其他形状管内受迫流动
— —对流传W 热 /m2系 K 数
—— 当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
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问
题 （过程量 !!）
48-9
二、对流传热的影响因素
(1) 流动起因 (2) 流动状态 (3) 流体有无相变 (4) 换热表面的几何 因素
(5) 流体的热物理性 质等
了解对流换热微分方程组的推导过程 尤其是能量方程
§4-1 对流传热（换热）概说
一、对流传热
Tw T
对流传热———流体与固体壁之间有相对运动、且 存在温度差时所发生的热量传递过程
热对流 & 对流换热
热对流—由于流体的宏观运动，从而流体的各部分之 间 发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量 传递过程。
(1) 流动的起因：
自然对流： 流体因各部分温度不同 而引起的密度差异所产 生的流动
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
48-11
(2) 流动状态：
层流：流体微团沿主流方向作有规则的分层流动， 整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流（紊流） ：流体各部分之间发生剧烈的混合， 流体质点做复杂无规则的运动
传热学
Heat Transfer
第四章 对流换热的理论基础
Theory of Convective Heat Transfer
48-2
本讲要点
掌握对流换热的机理 对流、对流换热 掌握对流换热微分方程的一般表达式
掌握对流换热的主要影响因素 流动起因、流动状态、物性、几何形状
理解对流换热系数是过程量
(3) 由于流体的粘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边界层
对流传热的基本公式 牛顿冷却公式（1701）
热流量Q：hA(Tw QhA(T
T) T)
W W
—流体被加热 —流体被冷却
热流 q Q A 密 h ( T w T 度 f)W m 2 ：
h Q
A(Tw T)
层流到湍流之间有一过渡阶 段；是过程，非瞬间完成
雷诺数的物理意义
ul ul u2
Re
u
l
惯性力与粘性力之比
(3) 流体有无相变：
相变换热： 凝结、沸腾、升华、 凝固、融化等
相变热（潜热）的吸收或释放起主要作用
h相变h单相
48-15
(4) 换热表面的几何因素：
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）
由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体处于无
滑移的状态 （即：y=0, u=0）
又由于流体分子相互之间的扩散和相互之间的吸引造成流体之间 的相互牵制---粘性力，在其作用下会使流体的速度在垂直于壁面 的方向上发生改变。
当热量通过导热自壁面传入流体后，由于相对的宏观 运动以焓的形式被运动着的流体带向下游-----热对流；
对流换热过程热量传递的机理
壁面和贴壁流体间的热量传递 热量自壁面传入流体后的传递
由于粘性的作用，流体在贴壁处被滞止，处于无滑移 状态（即：y=0, u=0），热量只能以导热方式传递：
热扩散
热对流
48-21
根据傅里叶定律：
qT ywk.baidu.com0
W m2
根据牛顿冷却公式： q h ( T w - T ) W m 2
联立可得：
h
Tw
T
T y
y0
W (m2 K)
——对流传热过程微分方程式
48-22
h T w T T y y 0
W (m 2K )
h取决于流体热导率、温度差、贴壁流体的温度梯度
温度梯度或者温度场取决于流体热物性、流动状况、 流速的大小及其分布、表面粗糙度等。
这个方程式明确地告诉我们，要求解一个对流换热问 题，获得该问题的对流换热系数，就必须首先获得 流场的温度分布，即温度场，然后确定壁面上的温 度梯度，最后计算出在参考温差下的对流换热系数。
对 流
自然对流 无限空间自然对流—横管、竖管、水平壁
换
有限空间自然对流—夹层空间
热
混合对流（强迫对流和自然对流并存）
大空间沸腾 沸腾换热 管内沸腾
有相变
管外凝结
凝结换热 管内凝结
垂直竖壁凝结 48-19
四、表面传热系数与温度场的关系
在对流换热理论建立的过程中，需要构建 h~T 的
关系式 对流换热系数 h ~ 流体温度场
h湍流h层流
说明湍流运动的一个最著名的经典实验就是 Osborne Reynolds (雷诺)的圆管实验（1883）
当圆管内流速很低时，观 察到的染色线是一条直 线 —— 层流流动
当雷诺数增加到，譬如Re 3500~4000以上时，染色 线则完全破碎；流体质点 做复杂而无规则的随机运 动 —— 湍流流动
对流传热与热对流不同，既有热对流，也有导热；
从机理上讲，对流换热除了紧贴壁面的流体依靠微观 粒子运动的导热之外，离开壁面的流体依靠宏观运动 储存和输运热量。
对流换热过程热量传递的机理
以流体外掠等温平板为例 对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过壁面的 流体沿壁面法线方向导热而实现的(为什么?)
速度边界层
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
热面向上
热面向下
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W(mC)] 密度 [kg m3]
比热容 c[J (kgC)] 动力粘度 [Ns m2]
运动粘度 [m2 s] h(流体内部和流体 间与 导壁 热面 热)阻小
、ch (单位体积流体能携 多带 能更 量 )
热扩散
热对流
被加热的流体向前运动，带走了一部分热量，从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少；流体中的温 度变化率也逐渐衰减
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) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； 也必须有温差
h (有碍流体流动、热 不对 利流 )于
48-17
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
hf(v,Tw,Tf,,cp,,,,l,Ω )
研究重点：揭示出表面传热系数与影响它的有关物 理量之间的内在联系，确定表面传热系数
三、对流传热现象的分类 外掠单管
强迫对流 无相变
外部流动 外掠管束 外掠平板
圆管内受迫流动 内部流动 其他形状管内受迫流动
— —对流传W 热 /m2系 K 数
—— 当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
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问
题 （过程量 !!）
48-9
二、对流传热的影响因素
(1) 流动起因 (2) 流动状态 (3) 流体有无相变 (4) 换热表面的几何 因素
(5) 流体的热物理性 质等
了解对流换热微分方程组的推导过程 尤其是能量方程
§4-1 对流传热（换热）概说
一、对流传热
Tw T
对流传热———流体与固体壁之间有相对运动、且 存在温度差时所发生的热量传递过程
热对流 & 对流换热
热对流—由于流体的宏观运动，从而流体的各部分之 间 发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量 传递过程。
(1) 流动的起因：
自然对流： 流体因各部分温度不同 而引起的密度差异所产 生的流动
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
48-11
(2) 流动状态：
层流：流体微团沿主流方向作有规则的分层流动， 整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流（紊流） ：流体各部分之间发生剧烈的混合， 流体质点做复杂无规则的运动
传热学
Heat Transfer
第四章 对流换热的理论基础
Theory of Convective Heat Transfer
48-2
本讲要点
掌握对流换热的机理 对流、对流换热 掌握对流换热微分方程的一般表达式
掌握对流换热的主要影响因素 流动起因、流动状态、物性、几何形状
理解对流换热系数是过程量
(3) 由于流体的粘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边界层
对流传热的基本公式 牛顿冷却公式（1701）
热流量Q：hA(Tw QhA(T
T) T)
W W
—流体被加热 —流体被冷却
热流 q Q A 密 h ( T w T 度 f)W m 2 ：
h Q
A(Tw T)
层流到湍流之间有一过渡阶 段；是过程，非瞬间完成
雷诺数的物理意义
ul ul u2
Re
u
l
惯性力与粘性力之比
(3) 流体有无相变：
相变换热： 凝结、沸腾、升华、 凝固、融化等
相变热（潜热）的吸收或释放起主要作用
h相变h单相
48-15
(4) 换热表面的几何因素：
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）
由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体处于无
滑移的状态 （即：y=0, u=0）
又由于流体分子相互之间的扩散和相互之间的吸引造成流体之间 的相互牵制---粘性力，在其作用下会使流体的速度在垂直于壁面 的方向上发生改变。
当热量通过导热自壁面传入流体后，由于相对的宏观 运动以焓的形式被运动着的流体带向下游-----热对流；
对流换热过程热量传递的机理
壁面和贴壁流体间的热量传递 热量自壁面传入流体后的传递
由于粘性的作用，流体在贴壁处被滞止，处于无滑移 状态（即：y=0, u=0），热量只能以导热方式传递：
热扩散
热对流
48-21
根据傅里叶定律：
qT ywk.baidu.com0
W m2
根据牛顿冷却公式： q h ( T w - T ) W m 2
联立可得：
h
Tw
T
T y
y0
W (m2 K)
——对流传热过程微分方程式
48-22
h T w T T y y 0
W (m 2K )
h取决于流体热导率、温度差、贴壁流体的温度梯度
温度梯度或者温度场取决于流体热物性、流动状况、 流速的大小及其分布、表面粗糙度等。
这个方程式明确地告诉我们，要求解一个对流换热问 题，获得该问题的对流换热系数，就必须首先获得 流场的温度分布，即温度场，然后确定壁面上的温 度梯度，最后计算出在参考温差下的对流换热系数。
对 流
自然对流 无限空间自然对流—横管、竖管、水平壁
换
有限空间自然对流—夹层空间
热
混合对流（强迫对流和自然对流并存）
大空间沸腾 沸腾换热 管内沸腾
有相变
管外凝结
凝结换热 管内凝结
垂直竖壁凝结 48-19
四、表面传热系数与温度场的关系
在对流换热理论建立的过程中，需要构建 h~T 的
关系式 对流换热系数 h ~ 流体温度场
h湍流h层流
说明湍流运动的一个最著名的经典实验就是 Osborne Reynolds (雷诺)的圆管实验（1883）
当圆管内流速很低时，观 察到的染色线是一条直 线 —— 层流流动
当雷诺数增加到，譬如Re 3500~4000以上时，染色 线则完全破碎；流体质点 做复杂而无规则的随机运 动 —— 湍流流动
对流传热与热对流不同，既有热对流，也有导热；
从机理上讲，对流换热除了紧贴壁面的流体依靠微观 粒子运动的导热之外，离开壁面的流体依靠宏观运动 储存和输运热量。
对流换热过程热量传递的机理
以流体外掠等温平板为例 对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过壁面的 流体沿壁面法线方向导热而实现的(为什么?)
速度边界层
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
热面向上
热面向下
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W(mC)] 密度 [kg m3]
比热容 c[J (kgC)] 动力粘度 [Ns m2]
运动粘度 [m2 s] h(流体内部和流体 间与 导壁 热面 热)阻小
、ch (单位体积流体能携 多带 能更 量 )