第4章对流传热原理优秀课件
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南京师范大学
NANJING NORMAL UNIVERSITY
第4章对流传热原理
内容要求:
对流换热概说； 对流传热问题的数学描述； 边界层对流传热问题的数学描写； 对流传热的实验研究。
4.1 概述
4.1.1 对流传热的基本概念和计算公式
1. 对流（Convection）：是指流体各部分之间发生相 对位移时，冷热流体相互掺混所引Байду номын сангаас的热量传递现象 。
2. 数值法： 对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出
预测。 3. 实验法；
相似原理和量纲分析理论。
4. 比拟法： 利用流体动量传递和热量传递的相似机理，建立
表面传热系数和阻力系数之间的相互关系。
4.1.4 如何从解得的温度场计算表面传热系数
固体壁面处局部热流密度：
流体的导热系数
qx
t
y
y 0, x
2. 对流换热（Convection heat
transfer）: 流体流过另一个物体表
面时， 对流和导热联合起作用的 流动方向 u∞
tf
热量传递现象。
u
t
平壁表面的 传热机理
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
3. 牛顿冷却公式 （Newton’s law of cooling）
Ah(twt f )
流动方向 u∞
空气 cp1.2k 1/Jm (3C )
导热系数λ：
水的冷却能力强于空气
➢影响流体内部的热量传递过程和温度分布；
➢λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。
常温下：水 0 .55 W /1 m (K ) 空气 0 .02 W 5 /m (7 K )
粘度μ： ➢影响速度分布与流态（层流，湍流）； ➢ η越大，分子间约束越强，相同流速下不易
发展成湍流状态。 ➢ 高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。
体积膨胀系数α： ➢对自然对流换热有很大影响； ➢ 影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小。
1 v( v t)p1( t)p
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，表面 状态（光滑或粗糙）等。
➢对对流换热有显著影响；
湍流边界层 层流底层：导热 湍流核心区：对流
u∞ tf
主流区 对流
u∞
δ
u
q
u∞
u 导热
层流底层
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
x
3. 流体有无相变 有相变 — 沸腾换热，凝结换热。 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同。
Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water
又由牛顿冷却公式：
y 导热 u∞
qx
u∞ u
qxh x(twt )x
0
x
局部表面传热系数：
hx
(twt)x
t yy0,x
平均表面传热系数：
t
h tw t y y0
4.2 对流传热问题的数学描述
对流传热问题完整的数学描述：
对流传热微分方程组 + 定解条件
A
0
对流换热的核心问题
x
x
4.1.2 对流传热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本方式共同作 用的结果。因此凡是影响流体导热和对流的因素都将对 对流换热产生影响。归纳起来，主要有以下五方面： 流动的成因（自然对流, 强制对流） 流动的流动状态（层流, 紊流） 换热时物体有无相变（沸腾, 凝结） 流体的物性（导热系数, 粘度, 密度, 比热容等） 换热表面的几何因素
Condensation of water vapour on the outer surface of a cold water pipe
4. 流体的热物理性质 对对流换热的强弱有非常大的影响。
密度和比热容：
水的换热能力远高于空气
➢体积热容c p ：单位体积流体热容量的大小。
常温下：水 cp41k8/Jm ( 63C )
tf
qh(twtf )ht
u
t
式中：
tw
Φ
wall
✓h —固体表面的平均表面换热系数。 平壁上的对流换热
✓ tw — 固体表面的平均温度。 ✓ tf — 流体温度。
tf
• 外部绕流（外掠平板，圆管），tf 为流体的主流温度。
外部绕流
•内部流动 （各种形状槽道内的流 动）， tf 为流体的平均温度。
d
1. 流动的起因 —— 强迫对流，自然对流。 流动的起因不同，流体内的速度分布，温度分布
不同，对流换热的规律也不同。
强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作用下产生
的流动。
自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。
空气h：
自然对流 h52W 5/m (2K) 强迫对流 h1 010 W 0 /m (2K )
➢ 影响流态，速度分布，温度分布。
特征长度
热面朝上
d 管内流动
热面朝下
外部绕流
影响对流换热的因素：
总结
h f( u ,tw ,tf,,,c p ,,,l,)
➢ 对强迫对流换热：
h f( u ,tw ,tf,, ,c p , ,l,)
➢ 对自然对流换热：
浮升力项包含的因子
h f(, ,c p , ,l, , t)
管内流动
4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数 局部对流换热时局部热流密度：
qxhx(twtf)x
整个换热物体表面的总对流换热量：
Q A q xd A A h x(tw tf)xdA
tw-tf=Const
平均表面传热系数： u∞ tf
h(twQ tf )A1 AAhxdA tw
qx twx hx
定性 用来确定物性参数数值的温度。 温度 例如：流体的平均温度；
流体与壁面温度的算术平均值等。
代表几何因素对换热的影响。
特征 长度
例如：管内换热以内径为特征长度；
沿平板流动以流动方向的尺寸为特征长度等。
4.1.3 对流传热的研究方法
1. 分析法： 指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定
解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分 析解。可得出精确解或近似解。适用简单问题。
2. 流动的流动状态 — 层流流动，湍流流动。
层流 (Laminar flow)：
➢流速缓慢； ➢ 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动； ➢ 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
0 层流边界层
x
u∞
u
导热
q
管内层流流动
湍流 (Turbulent flow)：
➢流体内部存在强烈脉动和旋涡运动； ➢ 各部分流体之间迅速混合； ➢ 热量传递：主要靠对流 。
NANJING NORMAL UNIVERSITY
第4章对流传热原理
内容要求:
对流换热概说； 对流传热问题的数学描述； 边界层对流传热问题的数学描写； 对流传热的实验研究。
4.1 概述
4.1.1 对流传热的基本概念和计算公式
1. 对流（Convection）：是指流体各部分之间发生相 对位移时，冷热流体相互掺混所引Байду номын сангаас的热量传递现象 。
2. 数值法： 对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出
预测。 3. 实验法；
相似原理和量纲分析理论。
4. 比拟法： 利用流体动量传递和热量传递的相似机理，建立
表面传热系数和阻力系数之间的相互关系。
4.1.4 如何从解得的温度场计算表面传热系数
固体壁面处局部热流密度：
流体的导热系数
qx
t
y
y 0, x
2. 对流换热（Convection heat
transfer）: 流体流过另一个物体表
面时， 对流和导热联合起作用的 流动方向 u∞
tf
热量传递现象。
u
t
平壁表面的 传热机理
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
3. 牛顿冷却公式 （Newton’s law of cooling）
Ah(twt f )
流动方向 u∞
空气 cp1.2k 1/Jm (3C )
导热系数λ：
水的冷却能力强于空气
➢影响流体内部的热量传递过程和温度分布；
➢λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。
常温下：水 0 .55 W /1 m (K ) 空气 0 .02 W 5 /m (7 K )
粘度μ： ➢影响速度分布与流态（层流，湍流）； ➢ η越大，分子间约束越强，相同流速下不易
发展成湍流状态。 ➢ 高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。
体积膨胀系数α： ➢对自然对流换热有很大影响； ➢ 影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小。
1 v( v t)p1( t)p
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，表面 状态（光滑或粗糙）等。
➢对对流换热有显著影响；
湍流边界层 层流底层：导热 湍流核心区：对流
u∞ tf
主流区 对流
u∞
δ
u
q
u∞
u 导热
层流底层
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
x
3. 流体有无相变 有相变 — 沸腾换热，凝结换热。 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同。
Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water
又由牛顿冷却公式：
y 导热 u∞
qx
u∞ u
qxh x(twt )x
0
x
局部表面传热系数：
hx
(twt)x
t yy0,x
平均表面传热系数：
t
h tw t y y0
4.2 对流传热问题的数学描述
对流传热问题完整的数学描述：
对流传热微分方程组 + 定解条件
A
0
对流换热的核心问题
x
x
4.1.2 对流传热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本方式共同作 用的结果。因此凡是影响流体导热和对流的因素都将对 对流换热产生影响。归纳起来，主要有以下五方面： 流动的成因（自然对流, 强制对流） 流动的流动状态（层流, 紊流） 换热时物体有无相变（沸腾, 凝结） 流体的物性（导热系数, 粘度, 密度, 比热容等） 换热表面的几何因素
Condensation of water vapour on the outer surface of a cold water pipe
4. 流体的热物理性质 对对流换热的强弱有非常大的影响。
密度和比热容：
水的换热能力远高于空气
➢体积热容c p ：单位体积流体热容量的大小。
常温下：水 cp41k8/Jm ( 63C )
tf
qh(twtf )ht
u
t
式中：
tw
Φ
wall
✓h —固体表面的平均表面换热系数。 平壁上的对流换热
✓ tw — 固体表面的平均温度。 ✓ tf — 流体温度。
tf
• 外部绕流（外掠平板，圆管），tf 为流体的主流温度。
外部绕流
•内部流动 （各种形状槽道内的流 动）， tf 为流体的平均温度。
d
1. 流动的起因 —— 强迫对流，自然对流。 流动的起因不同，流体内的速度分布，温度分布
不同，对流换热的规律也不同。
强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作用下产生
的流动。
自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。
空气h：
自然对流 h52W 5/m (2K) 强迫对流 h1 010 W 0 /m (2K )
➢ 影响流态，速度分布，温度分布。
特征长度
热面朝上
d 管内流动
热面朝下
外部绕流
影响对流换热的因素：
总结
h f( u ,tw ,tf,,,c p ,,,l,)
➢ 对强迫对流换热：
h f( u ,tw ,tf,, ,c p , ,l,)
➢ 对自然对流换热：
浮升力项包含的因子
h f(, ,c p , ,l, , t)
管内流动
4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数 局部对流换热时局部热流密度：
qxhx(twtf)x
整个换热物体表面的总对流换热量：
Q A q xd A A h x(tw tf)xdA
tw-tf=Const
平均表面传热系数： u∞ tf
h(twQ tf )A1 AAhxdA tw
qx twx hx
定性 用来确定物性参数数值的温度。 温度 例如：流体的平均温度；
流体与壁面温度的算术平均值等。
代表几何因素对换热的影响。
特征 长度
例如：管内换热以内径为特征长度；
沿平板流动以流动方向的尺寸为特征长度等。
4.1.3 对流传热的研究方法
1. 分析法： 指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定
解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分 析解。可得出精确解或近似解。适用简单问题。
2. 流动的流动状态 — 层流流动，湍流流动。
层流 (Laminar flow)：
➢流速缓慢； ➢ 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动； ➢ 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
0 层流边界层
x
u∞
u
导热
q
管内层流流动
湍流 (Turbulent flow)：
➢流体内部存在强烈脉动和旋涡运动； ➢ 各部分流体之间迅速混合； ➢ 热量传递：主要靠对流 。