对流换热基本方程解析
对流换热能量方程
对流换热能量方程一、概述对流换热是指通过流体的运动将热量从高温区域传递到低温区域的过程。
对流换热能量方程是描述这一过程的数学表达式。
本文将详细介绍对流换热能量方程的含义、推导过程和应用。
二、对流换热能量方程含义对流换热能量方程描述了在某一时刻，单位时间内通过流体的运动传递到单位面积上的热量。
它可以表示为：q = hA(Ts - Tf)其中，q是单位时间内通过单位面积传递的热量，h是对流换热系数，A是传热面积，Ts和Tf分别是固体表面温度和流体温度。
三、对流换热系数对于不同的情况，对流换热系数也会有所不同。
例如，在自然对流中，h通常非常小；而在强制对流中，h则会比较大。
此外，在液态介质中和气态介质中，h也会有很大差别。
四、推导过程为了得到上述公式，我们需要做出以下假设：1. 流体速度与距离无关；2. 流体温度与距离无关；3. 流体是定常的。
在这些假设下，我们可以通过质量守恒和能量守恒来推导出对流换热能量方程。
首先，考虑单位时间内通过单位面积的热量传递。
根据热传导定律，这个值可以表示为：q = -k(dT/dx)其中，k是热导率，dT/dx是温度梯度。
但是，在对流换热中，温度梯度并不是一个固定值，因为它随着流体的运动而发生变化。
因此，我们需要将上述公式进行修正。
假设在距离x处的流体速度为v(x)，温度为T(x)，则单位时间内通过单位面积的热量传递可以表示为：q = -k(dT/dx) + pvCp(Ts - T)其中，p是密度，Cp是比热容，Ts是固体表面温度。
第一项表示由于温度梯度引起的传热；第二项表示由于流体运动引起的传热。
接下来，我们需要确定对流换热系数h。
根据牛顿冷却定律：q = hA(Ts - Tf)我们可以将上述公式中的q和Ts替换成上述修正后的公式，得到：h = pvCp(v/x)最终，我们将上述公式代入修正后的热传导定律中，即可得到对流换热能量方程。
五、应用对流换热能量方程在工程领域中有着广泛的应用。
传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 工程应用背景
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
热对流 对流换热：
计算关系式
Φ hAtw tf
Φ hAtf tw
本章的主要任务：确定 h 的具体表达式
——请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都 曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！
第二节：对流换热问题的数学描写—对流换热微分方程组
二维、常物性、不可压、稳态
u v 0 x y
u
u x
v
u y
Fx
1
p x
2u x 2
2u y 2
u
v x
v
v y
Fy
1
p y
2v x 2
2v y 2
u
t x
v
t y
a
2t x 2
2t y 2
t
h tw t y w
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 求h主要有以下基本途径：
Φ h At w t f
h
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
影响对流换热的基本因素： 流动因素、几何因素和物性参数 流动因素 a 流动起因 自然对流(Natural Convection)—— 强迫对流(Forced Convection)—— b 流动状态 层流(Laminar Flow)—— 紊流(Turbulent Flow)—— c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer)
流体无相变时的对流换热
Nu = c Re Pr 令 Re = const C ′ = c Re n
n m
lg Nu = lg C ′ + m ln Pr m可求，同理使 Pr = const
Nu lg 0.4 = lg C + n lg Re Pr C, n可得
Nu = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 （管内紊流）
如：强制对流换热和自然对流换热，虽然都是对流换热现象， 但它们不是同类现象。点场和温度场也不是同类现象。 两个物理现象相似时，其有关的物理量场分别相似。 重要性质：彼此相似的现象，它们的同名准则必定相等。
换热微分方程式：α = − 现象a： 现象b：
λ ∂t
∆t ∂y
y =0
α′ = − α ′′ = −
Pe′ = Pe′′ －－贝克利准则
uL νuL Pe = = = Pr⋅ Re a νa 对于自然对流，则须
(Pr⋅ Re)′ = (Pr⋅ Re)′′
Gr ′ = Gr ′′
－－格拉晓夫准则
βg∆tL3 Gr = ν2
几个准则的物理意义： 雷诺准则：反映流体的惯性力与粘滞力之比的相对大小。 格拉晓夫准则：反映流体的浮升力与惯性力的相对大小。 普朗特准则：反映流体的动量传递能力与能量传递能力的相对 大小。 努谢尔特准则：反映实际热量传递与导热分子扩散量传递的比 较；Nu越大，则换热越强。 Bi和Nu的区别： 1、λ不同。前者为固体，后者为流体 2、物理意义不同。 αL 公式Nu =
λ
３．相似准则之间的关系 Nu = f (Re, Pr) 紊流强制对象： 过渡区： Nu = f (Re, Pr, Gr ) 自然对流：
Nu = f (Pr,Gr )
其中：
对流换热基本方程课件
相似理论与量纲分析
相似理论
相似理论是研究两个或多个物理现象之间相似性的理论。在对流换热问题中，如 果两个物理现象的相似准则数相等，则它们之间的对流换热过程具有相似性。
量纲分析
量纲分析是一种通过比较不同物理量之间的量纲关系来研究物理现象的方法。在 对流换热问题中，可以利用量纲分析来确定影响对流换热的无量纲参数，从而简 化对流换热问题的研究。
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对流换热基本方程课件
目 录
• 引言 • 对流换热基本概念 • 对流换热基本方程推导 • 对流换热基本方程求解方法 • 对流换热强化技术及应用案例 • 总结与展望
01 引言
对流换热现象
01
02
03
定义
对流换热是指流体与固体 壁面之间由于温度差异引 起的热量传递过程。
分类
对流换热可分为自然对流 和强制对流两种形式。
对流换热研究有助于降低设备能耗、 减少废热排放，对于环境保护和可持 续发展具有积极作用。
对流换热基本方程重要性
描述对流换热过程
对流换热基本方程是描述对流换 热过程中热量传递、流体流动及 物性参数变化等规律的基础工具
。
指导工程实践
掌握对流换热基本方程有助于工程 师在设计、优化和运行工程设备时 做出合理决策，提高设备性能和经 济性。
推动理论研究
对流换热基本方程是研究对流换热 机理、探索新现象和新规律的基础 ，对于推动传热学及相关领域理论 研究具有重要意义。
02 对流换热基本概念
对流换热定义及分类
对流换热定义
对流换热是指流体与固体表面之间的 热量传递过程，其中流体可以是气体 或液体，固体表面可以是各种形状和 材料的壁面。
对流换热基本方程
A
2.质量守恒与连续性方程
12
通过消去控制体体积得： (u) (v) 0 x y
拓展到三维表达式为： (u) (v) (w) 0
x
y
z 13
其矢量形式为 div(V ) 0
D divV 0 D
A
对于不可压缩流体，密度ρ为常量，则得到连续性方程：
二维连续性方程： u v 0 x y
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.
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。
牛顿冷却公式只是对流传热表面换热系数h的一个定义式，它 没有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。
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式 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。主要有五个方面：
A
对流换热问题的数学描述
对流换热问题完整的数学描写包括对流传热微分方程1组1及其
定解条件。前者包括质量守恒、动量守恒及能量守恒这三大守恒 定律的数学表达式。首先，就我们已经比较熟悉的质量守恒、动 量守恒微分方程式的推导作扼要说明：
由于由二维流场的结论很容易推得三维的情况，故在推 导过程中，优先采用二维讨论，并在最后给出三维的结论。
之间的换热。
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
对流换热概述
对流换热的换热量用牛顿冷却公式计算。对单位面积有：源自4对面积为A的接触面：
q = h( tw－tf ) =h tm
A
= A h( tw－tf ) = Ahtm
对流换热
第八讲对流换热convection heat transfer§8-1 对流换热基本概念一、对流换热过程：对流：是指物体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递方式，必有导热。
对流换热：流体流过一物体表面时对流与导热联合作用的热量传递过程。
牛顿冷却定律Newton’s law of coolingwt ft 如：f w t t t -=∆th q ∆=hAtt Ah qA Φ1∆=∆==为对流传热热阻hA R 1=二、流动边界层1. 流动(速度)边界层：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度(boundary layer thickness):达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离边界层的特点(1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.•分界点Re c=3X105~3X106,一般可取Re c=5X105•在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2) δ=δ(x) x↑δ(x)↑(3) δ(x) << x δ(L) << L(4) 流场分为: 主流区(undisturbed flow regime)(potential)边界层区(boundary regime)三、换热微分方程无滑移边界条件（傅里叶定律）0=∂∂-=y yt A λΦ变化率贴壁处流体的法向温度式中：→∂∂=0y y t 联立，得与牛顿冷却公式t hA ∆=Φ0=∂∂-=y y t t h ∆λ四、影响对流换热的因素⏹流动产生的原因：受迫流动，自然对流⏹流体流动情况：层流（Re<2300），紊流（Re>10000）⏹流体的物性：ρ、λ、η等⏹换热面的形状和位臵⏹流体集态的改变§8-2 对流换热基本方程组1.连续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u •2.动量方程(momentum equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222y v x v y p F y v v x v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ητρητρ惯性力(inertial force)体积力(body force)压力梯度(pressuregradient)粘性力(viscous force)3.能量守恒方程（energy equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t x t a y t v x t u t τ能量变化对流项导热项以此五个量为分析基础。
10对流换热解析
Re Pr
1 3
当Pr=1时，就转化为雷诺类似律。
10.对流换热
10.3
注意事项
定性温度
动量与热量传输的类比法
管内对流传热用流体的平均温度作为定性温度
平板或其他几何形状的固体壁面一律用膜温度作为定性温度.
1 t f t f t 2
1 t f t w 2
tm
dQ 1
10.对流换热
10.2 对流换热过程的数学描述
能量微分方程
dQ1 dQ2 dQ
x方向 d内从左侧面对流传入微元体的流体体积
dQ2
vx dydzd
vxdydzd cp T
x方向d 内从左侧面对流传入微元体的热量
c pTvx dydzd
x方向 d内从右侧面对流传出微元体的热量
Cf Nu St Re Pr 2
10.对流换热
10.3 动量与热量传输的类比法
2 L vm p f d 2
管内湍流
p d w 4 L
f 2 w vm 8
f St c p vm 8
f 无形体阻力时，管内的摩擦阻力为 C f 4
f ：沿程摩擦阻力系数
v T c p vz dQz T z dxdydzd z z
T vx v y vz T T dQ2 c p vx x v y y vz z T x y z dxdydzd
T
对流换热微分方程
能量微分方程
10.对流换热
10.2 对流换热过程的数学描述
能量微分方程
描述流体温度分布的方程式
能量守恒定律
传热学第五章对流换热
1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的、分类 三、对流换热的机理 四、影响因素 五、研究方法 六、h的物理意义
一.定义
流体流过与其温度不同的固体表面时所发生的热量交换称为 对流换热。 对流换热与热对流不同， 既有热对流，也有导热； 不是基本传热方式。 对流换热遵循牛顿冷却定律：
qw tw
x
y
t∞
u∞
图5-1 对流换热过程示意
圆管内强制对流换热 其它形式截面管道内的对流换热 外掠平板的对流换热 外掠单根圆管的对流换热 外掠圆管管束的对流换热 外掠其它截面形状柱体的对流换热 射流冲击换热
外部流动
对 流 换 热
有相变
自然对流(Free convection) 混合对流 沸腾换热 凝结换热
大空间自然对流 有限空间自然对流
大容器沸腾 管内沸腾 管外凝结 管内凝结
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA） 连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒） 动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒） 能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组 先作假设： （1）仅考虑二维问题； （2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动； （3）常物性，无内热源； （4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。 以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定 律，对于这样一个开口系统，有：
第11章 对流换热
地面上按自然对流设计的换热装置， 地面上按自然对流设计的换热装置， 在太空中还能正常工作吗？ 在太空中还能正常工作吗？ 因为自然对流换热只有在重力的情况下 才能进行，到了太空中， 才能进行，到了太空中，完全处于失重 状态，因而该设备无法正常工作。 状态，因而该设备无法正常工作。
11.1.2 对流换热的影响因素
11.2.1对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热
1）基于质量守恒定律的连续性微分方程 ∂u ∂v + =0 ∂x ∂y 基于动量定律的动量微分方程, 方向 2）基于动量定律的动量微分方程,x方向
∂u ∂u ∂u ∂p ∂u ∂u ρ( + u + v ) = Fx − +η( 2 + 2 ) ∂τ ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y
在相似理论指导下， 在相似理论指导下，将众多影响因素归并为几 个准则数，实验找出它们的关系。 个准则数，实验找出它们的关系。 目前还不能解决 理论分析法 比较复杂的实际 问题
N u = Rem Fon 如：
中含有h 其中 N u中含有
11.2
对流换热过程的数学描述
11.2.1对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热 1.对流换热微分方程组 对流
第五章对流传热分析
第五章对流换热分析通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。
5.1 内容提要及要求5.1.1 对流换热概述1．定义及特性对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。
在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。
牛顿冷却公式q h(t w t f ) 是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。
研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。
2．影响对流换热的因素（1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。
（2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。
（3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。
（4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。
（5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。
综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数h f u, t w , t f , , c p , ,,, l这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。
3．分析求解对流换热问题分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。
同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。
在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数由上式可有h xtt x yW/(m 2 K)w,x其中为过余温度，h xxyW/(m 2 K)w,x对流换热问题的边界条件有两类，第一类为壁温边界条件，即壁温分布为已知，待求的是流体的壁面法向温度梯度；第二类为热流边界条件，即已知壁面热流密度，待求的是壁温。
对流换热基本方程精编版
类似可以得到y，z方向流体净携入的能量
(ve) dxdydz y
(we) dxdydz z
单位时间内流体通过界面净携入控制体的能量
dQconv
(ue) x
(ve) y
(we)
z
dxdydz
对流换热基本方程
2 通过导热在界面导入的净能量
Fx
考虑前面得到的连续性方程 法向应力 切向应力
Du
D
x x
xy y
Fx
D u v w D x y z
对流换热基本方程
法向应力和切向应力
x
P
2
u x
2 3
( u x
v ) y
x
( u x
( zxu) z
( x
u)
Fxudxdydz
对流换热基本方程
类似的，y，z方向作用力的净功为
( xyv) x
( y y
v)
( zy z
w)
( y
v)
Fy
vdxdydz
( xzw) x
( yz y
w)
x y z
局部的质量守恒表达式也可以写为
u v w ( u v w)=0
x y z
x y z
对流换热 基 u本方程v w ( u v w)=0
x y z
第七章 对流换热
7 对流换热7.0 本章主要内容导读本章讨论对流换热问题，首先介绍对流换热的相关基本概念——对流换热的机理、数学描述方法和主要研究方法，然后介绍两类无相变的对流换热——强制对流换热和自然对流换热，主要内容如图7-1所示。
图7-1 第七章主要内容导读7.1 对流换热基本概念7.1.1对流换热机理如前所述，实际工程中经常遇到的对流问题是对流换热问题，它是导热与热对流共同作用的结果。
由于流体的热运动强化了传热，通过对流流体的传热速率比通过静止流体导热的传热速率高得多。
并且，流体速度越快，传热速率越高。
理论上，对流换热可以通过牛顿冷却公式求解，即=αQ∆Ft与导热中的导热系数λ不同，对流换热系数α不是物性参数，因此对流换热过程和相应的对流换热系数受到许多因素的影响，这些影响因素可以分为如下五类。
(1)流体流动产生的原因。
根据流动产生的原因，对流换热可以分为强制对流换热与自然对流换热两大类。
前者由泵、风机或其它外部动力源的作用引起，后者通常由流体各个部分温度不同产生的密度差引起。
两种流动产生的原因不同，流体中的速度场、对流换热规律和换热强度均不一样。
通常强制对流换热的流速高、换热系数α大；(2)流体有无相变。
在流体没有相变时对流换热中的热量传输由流体显热的变化实现，在有相变的换热过程中(如沸腾或凝结)，流体相变热(潜热)的释放或吸收常常起主要作用，流体的物性、流动特性和换热规律均与无相变时不同。
一般同一种流体在有相变时的换热强度远大于无相变时的强度；(3)流体的流动状态。
根据动量传输知识，粘性流体存在着两种不同的流态——层流和湍流。
层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合。
因此，在其它条件相同时湍流换热的强度明显强于层流换热的强度；(4)换热表面的几何因素。
这里的几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态(光滑或粗糙)。
这些几何因素都将影响流体在壁面上的流动状况，从而影响到对流换热。
对流换热基本方程
(M n )c v v F n(m v n )(m v n )
in
out
对流换热基本方程
(M n )c v v F n(m v n )(m v n )
in
out
应用在x方向, 得到:来自( uxy)u 2 y
u
2
x
(u2 )xy
uvx
uv
y
(
uv)yx
xy ( x
x x
x (uxyv) 得到x方向纳维尔-斯托克斯方程
D DuPxx2ux32(uxyv) y(uxyv)Fx
对流换热基本方程
流体是常物性和不可压缩的，上式简化为
( u u u x v u y) P x ( x 2 u 2 y 2 u 2) F x
对直流角换热坐基标本系方下程的三维的常物性、不可压缩流体的纳 维尔-斯托克斯方程
对流换热微分方程组的求解途径主要有：数学分析方法， 数值求解方法和实验求解方法
对流换热基本方程
6-6 数量级分析
数量级分析的目的是，应用传热学的基本原理对所研 究的物理量的数量级进行估算，即确定其数量级范围
cp tx22t
c p
t
～
c p
t
2t 2
x(xt)
～
t
t 2
对流换热基本方程
得到
～ 2 a
常物性的不可压缩流体，速度场与温度场无关，可 以单独求解，因N-S方程和连续性方程构成了关于压 力P和速度u、v、w的封闭方程组。
对于可压缩流体，密度不是常数，即使其它物性参 数保持常量，动量方程也不能单独求解，因为密度 与温度相关，动量方程与能量方程是耦合的，通过 补充密度与温度的关系式，同时求解动量方程和能 量方程，或已知温度分布，才能获得速度分布
对流换热公式汇总与分析精品
对流换热公式汇总与分析【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。
本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。
【关键词】对流换热类型公式适用范围对流换热的基本计算形式一一牛顿冷却公式：q=h(t w-t f) (W/m2)或Am2上热流量门二h(t w -t f) (W)上式中表面传热系数h最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即h = f(u,t w，t f, ■ ,C p,匚:，fl)综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表 1所示。
表1典型换热类型1.1内部流动1.1.1圆管内受迫对流换热(1)层流换热公式西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为Nu =1.86Re73 Pr；/3(g)1/3( -)0.14f f f Iw或写成NU f =1.86(Pe f d)1/3(>)0.14f I (J.w式中引用了几何参数准则d，以考虑进口段的影响。
[1适用范围：0.48 ::: Pr <16700，0.0044 ：：(」厂：9.75。
—w定性温度取全管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径d。
如果管子较长，以致[(Re 卩芒)1/3(土)0.14]乞 2lw则NU f可作为常数处理，采用下式计算表面传热系数。
常物性流体在热充分发展段的 Nu是NU f =4.36(q=co nsl)NU f =3.66(t w =c onst)(2)过渡流换热公式对于气体，0.6 ::: Pr f :: 1.5， 0.5 ：：匚：:1.5，2300 :: Re f :: 104。
0.8 0.4 d、2/3 Tf、0.45NU f =0.0214(Re f -100)Pr f [1 (一)]()l T wPr对于液体，1.5 ：： Pr f ::: 500，0.05 —：： 20，2300 :: Re f :: 104。
材料科学工程课程2-3 对流换热
热边界层：靠近壁面温度急剧变化的薄层 。
传热学
对流换热分析 （1）流体流经固体壁面时形成流体边界层，边界层内存 在速度梯度； （2）当形成湍流边界层，在此薄层内流体呈层流流动。 因此在层流内层中，沿壁面的法线方向上没有热对流，该 方向上热的传递仅为流体的热传导。 （3）在湍流主体中，流体质点剧烈混合并 充满了漩涡，湍流主体中的温度差(温度梯度) 极小，各处的温度基本上相同。
传热学
其它推导准数
Ga（Galilei伽利略）准数
2 2 3 2
gl u l gl Ga Fr. Re 2 . 2 2 u Gr（Grashot格拉晓夫）准数 ——浮力与粘性力之比
0 gl gwl Gr Ga. 2 t 2
平均换热系数
h
L
0
1 u 1 hx dx 0.332 Pr 3 L
L
0
dx 1 0.664 Pr 3 Re L 0.5 0.5 x L
Pr 普朗特数， Pr
传热学
3） 相似原理及量纲分析
通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然
是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而， 对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找 出众多变量间的函数关系，实验的次数十分庞大。 为了大大减少实验次数，而且又可得出具有一定 通用性的结果，必须在相似原理指导下进行实验。
3
3
传热学
(4)准数方程 以对流换热过程为例 准数方程的简化
f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo、Nu）=0 Nu =f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo） K 流体运动方程：Eu =f（Re、Ho、Fr） K Pe =Re.Pr K 稳定速度场、稳定温度场： Ho、 Fo K 准数方程的一般形式：Nu =f（Re、Fr、Pr） 自由流动主要是由温差引起 Nu =f（Re、Gr、Pr） K 自然对流：Nu =f（Gr、Pr） 相同流体： Nu =f（Gr） K 强制对流：Nu =f（Re、Pr） 相同流体： Nu =f（Re）
传热学12 对流换热的基本方程和分析解
此式称为傅里叶-克希荷夫导热微分方程，适用于无内 热源不可压缩流体的对流换热分析。 a 2/s。 称为导温系数，单位是 m CP
式中，Ψ为壁面的几何因素。
12.2 对流换热微分方程 (1) 换热微分方程
由于在贴壁处流体受到黏性的作用，没有相
T 式中, y
对于壁面的流动，因此被称为贴壁处的无滑移 边界条件。将傅里叶定律应用于贴壁流体层， 与牛顿冷却公式联系，得换热微分方程： T T y y 0
由换热微分方程得：
x 0.332
L Re Pr
1/2 L 1/3
x x Nu x 0.332 Rex1/ 2 Pr1/ 3
对宽为W、长为L的平板上的平均对流传热系数α，可用 L αx沿全板长从0到L积分： 1 x dx L0 1/2 1/3 2 x 对上式积分可得： 0.664 ReL Pr L x Nu 0.664 Rex1/2 Pr1/3 Nu 2Nux
对于不可压缩流体，不存 在体积功，只有黏性力作功 产生摩擦热。 微元体获得的热能有：一 是通过微元体界面从外界以 对流和导热方式得到；二是 由微元体的内热源产生。
12.2 对流换热微分方程
对于不可压缩流体，不存在体积功，只有黏性 力作功产生摩擦热。 微元体获得的热能：一是由微元体界面从外界 以对流和导热方式得到；二是由微元体的内热 源产生。 微元体在热量传输过程的热力学第一定律为：
y 0
12.4 对流换热边界层微分方程组的分析解
df ' d
y 0
d{2[(T Tw ) / (T Tw )]} d[(y / 2x) Rex ]
第二章对流换热方程推导
u u u x v u y w u z x x x y y x z z xB x
第二章对流换热方程推导
2.2 y、z方向动量方程
v u x v v y v w v z x x y y y y z zy B y w u w x v w y w w z x x z y y z z z zB z
控制容积内的流体在 i 方向 － 单位时间内流入控制
动量随时间的变化率
容积的 i 方向动量
＋ 单位时间内流出控制 ＝ 作用于控制容积内流
容积的 i 方向动量
体在 i 方向力的总和
控制容积内的流体在 i 方向 ＋ 单位时间内净流出控
动量随时间的变化率
制容积的 i 方向动量
＝ 作用于控制容积内流 体在 i 方向力的总和
x, y, z方向的净流入能量
Q •Conv e c t ixoneu yev zew dxdydz
第二章对流换热方程推导
（2）能量的变化
•
E
•
E
edxdydz
内能
e
动能
磁场能
u2v2w2 eU
2
第二章对流换热方程推导
（3）净功量
•
W
• 表面应力做功 • 体积力做功
•
WSurface
• 重力 • 离心力 • 磁场力 • 电场力
体积力仅为重力时
Bx gx By g y Bz gz
第二章对流换热方程推导
（7）x方向的动量守恒方程
依据牛顿第二定律
u x u 2 y u v u z w x x x y y x z z x B x
＝
0
第二章对流换热方程推导
1.1 x方向净流出质量