传热学第三章对流传热
材料工程《对流传热》课件
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第三章 传热学—第三节 对流传热
三.对流换热问题的数学描述 6.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。 为了减少实验次数，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。
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第三章 传热学—第三节 对流传热
4.表面传热系数（对流换热系数）
根据分析可知，影响对流换热系数的因素有（无 相变）：
（1）流体物性；（2）流动状态；
（3）传热面特征尺寸；（4）自然对流。
所以对流换热系数是以上七个变量的函数：
f , , , cp, u, l, Tg
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第三章 传热学—第三节 对流传热
（2）入口段的热边界层薄，表面传热系数高。
管内流动换热示意图
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第三章 传热学—第三节 对流传热
表面传热系数随边界层发展的变化情况
(a)层 流 (b)紊 流
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第三章 传热学—第三节 对流传热
层流速度进口段长度为:
第三章 传热学—第三节 对流传热
4.表面传热系数（对流换热系数）
（4）传热面形状、大小、位置及流通截面， 是否发生相变等
流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片 管、单管、管束、板、弯管）
管子排列方式（三角形、正方形）
位置（水平、垂直）
大小（短管、长管）
相变（无相变、沸腾、冷凝）
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传热三种方式
1•传导传热是指温度不同的物体直接接触，由于自由电子的运动或分子的运动而 发生的热交换现象。
温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的传递过程，称为传导传热。
传热过程中，物体的微观粒子不发生宏观的相对移动，而在其热运动相互振动或 碰撞中发生动能的传递，宏观上表现为热量从高温部分传至低温部分。
微观粒子 热能的传递方式随物质结构而异，在气体和液体中靠分子的热运动和彼此相撞， 在金属中靠电子自由运动和原子振动。
⑴对流传热是热传递的一种基本方式。
热能在液体或气体中从一处传递到另一处的过程。
主要计算分类对于宅瘟畀捲T 特担黑举为聲疑*ao2、多层平面壁的计算1、单层平壁的计算⑴序+购珅子连嘉荐挑扯ft qg 醴円畀…是由于质点位置的移动，使温度趋于均匀。
是液体和气体中热传递的主要方式。
但也往往伴有热传导。
通常由于产生的原因不同，有自然对流和强制对流两种。
根据流动状态，又可分为层流传热和湍流传热。
化学工业中所常遇到的对流传热，是将热由流体传至固体壁面（如靠近热流体一面的容器壁或导管壁等），或由固体壁传入周围的流体（如靠近冷流体一面的导管壁等）。
这种由壁面传给流体或相反的过程，通常称作给热。
定义对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位弯管中的对流传热⑴由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
在工程上，常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程，称之为对流传热。
[2]对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw 的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为q=a（tw-tf），当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有q=a（tf-tw）式中q为对流传热的热通量，W/m2 a 为比例系数，称为对流传热系数，W/（m2「C）。
牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。
传热学 第3章-非稳态导热分析解法
第三章 非稳态导热分析解法1、 重点内容：① 非稳态导热的基本概念及特点；② 集总参数法的基本原理及应用；③一维及二维非稳态导热问题。
2、掌握内容：① 确定瞬时温度场的方法；② 确定在一时间间隔内物体所传导热量的计算方法。
3、了解内容：无限大物体非稳态导热的基本特点。
许多工程问题需要确定：物体内部温度场随时间的变化，或确定其内部温度达某一极限值所需的时间。
如：机器启动、变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏。
因此，应确定其内部的瞬时温度场。
钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素；金属在加热炉内加热时，要确定它在炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。
§3—1 非稳态导热的基本概念一、非稳态导热1、定义：物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。
2、分类：根据物体内温度随时间而变化的特征不同分：1）物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定值，即：const t =↑τ2）物体的温度随时间而作周期性变化1）物体的温度随时间而趋于恒定值如图3-1所示，设一平壁，初值温度t 0，令其左侧的表面温度突然升高到1t 并保持不变，而右侧仍与温度为0t 的空气接触，试分析物体的温度场的变化过程。
首先，物体与高温表面靠近部分的温度很快上升，而其余部分仍保持原来的t 0 。
如图中曲线HBD ，随时间的推移，由于物体导热温度变化波及范围扩大，到某一时间后，右侧表面温度也逐渐升高，如图中曲线HCD 、HE 、HF 。
最后，当时间达到一定值后，温度分布保持恒定，如图中曲线HG （若λ=const ，则HG 是直线）。
由此可见，上述非稳态导热过程中，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。
（1）第一阶段（右侧面不参与换热）温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，即：在此阶段物体温度分布受t 分布的影响较大，此阶段称非正规状况阶段。
03传热学第三章非稳态热传导
cV
dt
d
cV (t0
t )(
hA
cV
)
exp(
hA
cV
)
hA0
exp(
hA
cV
)
※0~ 时间内传给流体的总热量：
Q 0 d
0
h
A
0
e
xp(
hA
cV
)d
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0 cV
1
exp
hA
cV
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（2） 时间常数
令
c
cV
hA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e c
0
※当 时
0 0
即t t
※当
时
c
与几何参数、物理性 质、换热条件有关
(, ) m ( )
cos(1)
f
( Bi , )
则平板中任意点过余温度比 m 0 m 0
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相当于第一 类边界条件
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任意时刻平板 内温度均匀
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书中的诺谟图仅适用一维平板第一类边界条件下的加热及冷却
过程以及具有恒温介质的第三类边界条件，并且Fo>0.2
Q0
cV (t0 t )
0
τ时刻的平均 过余温度
当Fo>0.2时，正规状况阶段温度场与导热量的计算式可统一表示为：
( , 0
)
A exp(
12 Fo)
f
( 1 )
Q Q0
1
A exp(12Fo)B
其中，A、B、f(μ1η)的表达示见表3-1。
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对流传热公式
对流传热公式
对于对流传热公式，其本质是牛顿冷却定律，即对流传热率与温
度差成正比，与传热面积、传热系数成正比。
其数学表达式为：Q = hAΔT
其中，Q为传热速率，单位为W或J/s；h为对流传热系数，单位
为W/(m²·K)；A为传热面积，单位为m²；ΔT为传热的温度差，单位
为K或℃。
需要注意的是，对流传热系数是由传热流体的性质、流速、传热
面的特性等因素决定的，而其解析式一般是无法给出的，需要通过实
验测定或经验公式来获得。
同时，在实际应用中，涉及较复杂的情况时，如自然对流、强迫对流、辐射对流等，对流传热公式需要结合其
他传热模型和理论来计算。
此外，对流传热过程中还会出现边界层效应、湍流效应等，这些
都需要进行特殊考虑。
还有一些特殊技术和装置，如换热器、冷却塔、空气调节装置等，则需要运用更为复杂的传热理论和模型。
综上所述，对流传热公式是传热学中最常见且基础的一种模型，但在实际应用中需要注意各种特殊因素，并采用合适的传热模型和理论进行分析和计算。
传热学第三章答案
第三章思考题1. 试说明集中参数法的物理概念及数学处理的特点答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。
而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数， 数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。
2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数hA cvc ρτ=,形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。
3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题 答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略 不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。
如薄板两侧均匀加热或冷却、 炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。
4. 什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理过程及数学处理上都有些什么特点?答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍 随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置(δ/x )和边界条件(Bi 数) 的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。
这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。
5. 有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由是： 这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi 有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。
你是否同意这种看法,说明你的理由。
答：我不同意这种看法，因为随着时间的推移，虽然物体中各点过余温度的比值不变 但各点温度的绝对值在无限接近。
这与物体中各点温度趋近流体温度的事实并不矛盾。
传热学中的对流传热与传导传热
传热学中的对流传热与传导传热传热学是研究物体内部或物体之间热量传递规律的学科。
在这个领域中，对流传热和传导传热是两个基本而重要的概念。
首先，我们来介绍一下对流传热。
对流传热是指通过流体（气体或液体）的运动传递热量的过程。
我们知道，热气会上升，冷空气则下沉。
当一个物体受热时，由于局部升温，局部的气体也会被加热，导致其密度减小，从而形成一个向上的热空气、气流。
这个热空气通过自然对流或强制对流传递热量。
对流传热可以分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是在没有外部力驱使的情况下，由于密度差异引起的热气体或流体的运动。
例如，我们在炉子上方能够感受到的热气流，正是由于自然对流所引起的。
而强制对流则是由于外部力的作用，将热气体或流体迫使运动起来。
例如，风扇产生的强风，能够加速热气体的运动，从而增强对流传热。
在传热学中，对流传热的计算是一个非常复杂的过程。
因为对流传热受到多种因素的影响，包括流体的性质、流体速度、流动的几何形状、壁面的温度等等。
要准确计算对流传热，需要引入一些基本参数，如传热系数和换热面积。
传热系数是描述热量传递效果的物理量，而换热面积则是描述实际接触面积的物理量。
与对流传热相对应的是传导传热。
传导传热是指热量通过物体内部的分子热运动传递的过程。
当我们将一个物体的一端加热时，热量将从加热端向冷却端传递。
这是因为在物体内部，热量会使得分子热运动加剧，分子之间的碰撞和传递也会加强。
传导传热的速率取决于物体的导热性能和温度差。
不同物质具有不同的导热性能。
导热性能越好，传导传热的速率越快。
例如，金属是一个非常好的导热体，因此可以迅速传导热量。
而空气和水则是较差的导热体，它们在传导传热时速率较慢。
在实际应用中，我们可以利用物质的导热性能来设计制造各种热传导设备，如散热片、散热器等，用于热管理和热控制。
除了对流传热和传导传热，还有一个重要的传热方式是辐射传热。
辐射传热是指通过热辐射波长范围内的电磁波传递热量的过程。
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。
《传热学》课后习题答案-第三章
第三章思考题1. 试说明集总参数法的物理概念及数学处理的特点答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。
而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数， 数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。
2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数,形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。
3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题 答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略 不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。
如薄板两侧均匀加热或冷却、 炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。
4. 什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理过程及数学处理上都有些什么特点?答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍 随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置()和边界条件(Bi 数) 的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。
这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。
5. 有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由是： 这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi 有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。
你是否同意这种看法,说明你的理由。
答：我不同意这种看法，因为随着时间的推移，虽然物体中各点过余温度的比值不变 但各点温度的绝对值在无限接近。
这与物体中各点温度趋近流体温度的事实并不矛盾。
6. 试说明Bi 数的物理意义。
第三章传热传质问题的分析与计算
y , t tw 1 t tw
扩散方程
y 0, CA CA,w 0 y , CA CA,w 1
CA, CA,w
CA, CA,w
这三个性质类似的物性系数中，任意两个系数 的比值均为无量纲量,即
普朗特准则 Pr
v
2u y 2
能量方程
u
t x
t y
a
2t y 2
扩散方程
u
C A x
C A y
D
2C A y 2
边界条件为：
动量方程 y 0, u 0
或
u
能量方程
y , u 1 或 u
y 0, t tw 0 t tw
u uw 0 u uw
h
dy
定义，阿克曼修正系数
C0
= (N AM Ac P,A+N B M h
BcP,B )
C0与假定传质方向（壁面向流体）一致为正
δ0
d 2t dy2
- C0
dt dy
=0
边界条件
y =0
y =δ0
t =t1
t =t2
得到流体在薄膜层内的温度分别为
exp(C0 y ) -1
t( y) =t1 +(t2 - t1)
dy
• 动量传递公式表明：动量通量密度正比 于动量浓度的变化率。
• 能量传递公式表明：能量通量密度正比 于能量浓度的变化率。
• 质量传递公式表明：组分A的质量通量密 度正比于组分A的质量浓度的变化率。
3.1.2 三传方程
连续性方程 u 0
传热学对流换热
对流换热思考题答案1．答：流动入口段指速度分布趋于稳定以前的距离。
热入口段则指无量纲温度趋于稳定以前的距离。
层流时流动入口段的长度主要取决于Re 以及管子入口处的形状，壁面状况等。
热入口段长度则除了Re 以外，还与Pr 也有密切关系。
在Pr ≈1时，两个入口段的长度相等。
对于Pr >>1的情形，L flow <<L temp 。
对于Pr <<1则情况大致相反。
紊流时，由于动量传递和热量传递均主要依靠紊流脉动机理，故这时流动入口段与热入口段长度的比例不再与Pr 相联系，一般来说可以认为L flow ≈L temp 。
2．答：如附图所示。
有 d Φ = q m c d t f = q w πD d x ，即const cq Dq m w ==πdx dt f 即恒热流加热（或冷却）时，无论是否达到充分发展，流体的截面平均温度总是呈线性变化的。
根据上述结论，显然两者的出口截面温度也相同。
但是壁温的情况有所区别。
由于q w = h x [ t w (x )－ t f (x )]x在充分发展段，表面传热系数保持恒定，壁温与流体平均温度之差也保持恒定，两者均呈线性变化。
但在入口段内，局部表面传热系数呈逐步下降，换热温差则呈逐步升高的趋势。
(a) 恒壁温 (b) 恒热流3．答：这个表达方式存在一点问题。
当流体向壁面放热时，∆t ' = t w – t f1， ∆t '' = t w – t f2 。
两个温差皆为负值，而且前一个比后一个更负。
这样一来对数平均温差将成为负值，显然是不正确的。
4．答：管内充分发展的层流对流换热努塞尔数Nu f 等于常数，而紊流时Nu f ~ Re f 0.8。
由此可知层流时h x ~ d -1，紊流时h x ~ d -0.2，所以层流时管径的影响比紊流时大得多。
5．答：这种说法不正确。
实际上，对Pr 的幂指数不需要区分液体和气体。
传热学实验三-对流传热实验2
传热学实验三-对流传热实验2实验三对流传热实验一、实验目的⒈通过对空气—水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α1的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
⒉通过对管程内部插有螺纹管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、实验装置本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。
空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。
管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。
饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。
该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。
表1实验装置结构参数实验内管内径di（mm）16.00实验内管外径do（mm）17.92实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）52.5总管长（紫铜内管）L（m）1.30测量段长度l（m）1.10蒸汽温度空气出口温度空气入口温度蒸汽压力空气压力孔板流量计测量空气流量图1空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1—光滑套管换热器；2—螺纹管的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；4—旋涡气泵；5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7、8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀；12、13—蒸汽放空口；15—放水口；14—液位计；16—加水口；三、实验内容1、光滑管①测定6～8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数α1。
②对α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem中常数A、m的值。
2、波纹管①测定6～8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数α1。
传热学第三章
内能减小=物体向环境对流换热
7
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院
传 热 学
定义过余温度： θ=t-t∞
dt cV Ah (t t ) d
cV
dt Ah d
初始条件：
d
τ=0， θ =θ0=t0-t∞
微分方程分离变量，并积分：
0
hA cV
Fo>0.2，正规状况阶段
非稳态导热过程中传递热量
从τ=0 至热平衡
Q0 cV (t 0 t )
19
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院
传 热 学
从τ=0 至τ时刻
Q c V t 0 t ( x, )dV 1 Q0 cV (t 0 t ) V 1 1 V (t 0 t ) (t t ) dV V t0 t
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院 6
传 热 学
1. 导热微分方程式建立
例：测量变化着的温度的热电偶
t0 t
t t0 0
t f ( ) ?
t 2t 2t 2t ( 2 2 2) 导热微分方程： c x y z c
11
传 热 学
4. BiV及FoV物理意义
Biv hl
1 h
l
内部面积导热热阻 表面面积对流换热热阻
无量纲 热阻 无量纲 时间
从边界上开始发生热扰 动时刻起 a 到所计算时刻为止的时 间间隔 Fov 2 2 边界上发生有限大小的 热扰动穿过一定 l l a 厚度的固体层扩散到 2的面积上所需时间 l
FoV越大，热扰动越深入地传播到物体内部， 物体内各点的温度越接近周围介质的温度
传热学试题库及参考答案
（如以某时刻作为时间的起算点，在该时刻导热物体内的温度分布）
14．通过长圆筒壁导热时，圆筒壁内的温度呈分布规律.
（对数曲线）
15．温度梯度表示温度场内的某一地点等温面法线方向的。
（温度变化率）
16．第二类边界条件是指。
（给定物体边界上任何时刻的热流密度qw分布）
三、选择题
1．当采用加肋片的方法增强传热时，最有效办法是将肋片加在哪一侧? ( )
(1)K＝50W/(m2.K)，rt＝0.05m2.K/W
(2)K＝0.02W/(m2.K)，rt＝50m2.K/W
(3)K＝50W/(m2.K)，rt＝0.02m2.K/W
(4)K＝50W/(m2.K)，rt＝0.05K/W
15．平板的单位面积导热热阻的计算式应为哪一个?
(1)δ/λ(2)δ/(KA) (3)1／h (4)1/(KA)
5．按照导热机理，水的气、液、固三种状态中_______态下的导热系数最小。
（气）
6．一般，材料的导热系数与_____和_____有关。
（种类，温度）
7．保温材料是指_____的材料.
（λ≤0.12 W/(m·K)(平均温度不高于350℃时)）
8．已知材料的导热系数与温度的关系为λ＝λ0(1+bt)，当材料两侧壁温分别为t1、t2时，其平均导热系数可取下的导热系数。
（傅立叶， ）
2．非稳态导热时，物体内的_____场和热流量随_____而变化。
（温度，时间）
3．导温系数的表达式为_____，单位是_____，其物理意义为_____。
（a=λ/cρ,m2/s,材料传播温度变化能力的指标）
4．肋效率的定义为_______。
传热学对流换热
传热学 / 对流换热
二、连续性微分方程（质量守恒方程）
依据质量守恒定律，在单位时间内，净流入微 元体的质量等于微元体内的质量增量。
（2）层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较弱；
（有热边界层和层流速度边界层） （3）湍流状态时，对流很强，导热可忽略， dt/dy很小；在 壁面附近的层流底层，此处主要依靠导热， dt/dy 较 大。（有热边界层、湍流速度边界层及层流底层）
传热学 / 对流换热
（四）热边界层厚度与热阻的关系
自然界中的种种对流现象 电子器件冷却
强制对流与自然对流
沸腾换热原理
空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
传热学 / 对流换热
热对流（Convection）
流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。 自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导。
二、边界层
（一）速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时， 由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响，壁面附近的流体速度 会减小，即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。
u 0.99u
传热学 / 对流换热 3、速度边界层定义 把紧靠壁面、速度变化比较剧烈的流体层叫做速度 （流动）边界层。
由于各层流体之间的速度不同，相互间就存在着相对滑动， 即流体发生了剪切变形，于是各层之间产生出一种抵抗变形 的力，称为内摩擦力或粘性力。
传热学 / 对流换热
2、牛顿内摩擦定律
流体运动所产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速 度梯度成正比，与接触面的面积成正比，并与流体的物理 性质有关。 du du f A dy dy
材料工程《传热学-概述》课件
材料工程基础多媒体课件
14
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
2.对流换热
对流换热的基本规律<牛顿冷却公式> 流体被加热时：
流体被冷却时：
材料工程基础多媒体课件
15
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
2.对流换热
ｈ—比例系数（表面传热系数）
ｈ的物理意义：单位温差作用下通过单位 面积的热流量。
用于加热或冷却物料的流
体称为载热体，其中起加热作
用的叫加热剂，起冷却作用的
T2
叫冷却剂。
t1
T t
t2
规定：冷流体温度用t表示 ，热流体温度用T表示，下标
1，2分别代表进口与出口参
数，qm1，qm2分别表示热流
体、冷流体的质量流量
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dl
T1
套管换热器示意
25
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
4. 导热、对流、辐射的评述
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观 表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这 是热辐射区别于导热，对流的基本特点
材料工程基础多媒体课件
21
第三章 传热学—第一节 概述
四、两流体通过间壁换热与传热速率方程式
间壁式换热器 Regenerator
式中λ为热导率，又称导热系数，
负号表示热量传递的方向与温度
升高的方向相反，上式是一维稳态
导热时傅立叶定律的数学表达式。
材料工程基础多媒体课件
11
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
1.热传导（导热）
导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数， 是一种物性参数，与材料的种类和温度有 关，单位：w/m·k 。
传热学-对流换热PPT课件
对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 自然界中的种种对流现象 电子器件冷却 强制对流与自然对流
沸腾换热原理 空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
➢ 热对流（Convection）
流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑（自然对流换热增强）→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度， 从而影响对流换热系数。
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
五、 流体有无相变（流体相变）：
单相换热 Single phase heat transfer： 相变换热 Phase change：
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多， 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层（贴壁流体层）
流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加） 而减薄。
湍流核心
层流底层
二、边界层
（一）速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时，
由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响，壁面附近的流体速度 会减小，即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
新大传热学复习指导03对流传热总结
对流传热总结1.特征数（1）雷诺数Re ：惯性力与粘性力之比的一种量度。
νcul Re =（2）普朗特数Pr ：动量扩散能力与热量扩散能力之比的一种量度。
aPr ν=（3）努赛尔数Nu ：壁面上流体的无量纲温度梯度。
λchl Nu =（4）格拉晓夫数Gr ：流体浮升力与粘性力之比的一种量度。
23Δναtgl Gr V c =2.特征方程与应用（1）流体外掠平板的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——平板温度，∞t ——来流温度 特征长度：l l c =，l ——流体流过平板长度 特征流速：∞=u u c ，∞u ——来流流速 流动状态：5105⨯=c Re ，c Re ——临界雷诺数（2）管槽内强制对流的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2f f m t t t ''+'=，f t '——流体进口温度，f t ''——流体出口温度特征长度：d l c =，d ——管子内径 特征流速：u u c =，u ——管内平均流速 流动状态：2300=c Re ，c Re ——临界雷诺数（3）流体横掠单管的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——管壁温度，∞t ——来流温度 特征长度：d l c =，d ——管子外径 特征流速：∞=u u c ，∞u ——来流流速流动状态：51051⨯=.Re c ，c Re ——临界雷诺数（4）流体横掠管束的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2f f m t t t ''+'=，f t '——流体进口温度，f t ''——流体出口温度特征长度：d l c =，d ——管子外径特征流速：u u c =，u ——管束最小界面处流速 排数校正：管排数16<需校正（5）竖平板及圆柱大空间自然对流的实验关联式：()Pr ,Gr f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——壁面温度，∞t ——环境温度 特征长度：H l c =，H ——竖平板或圆柱高度 体胀系数：mV T 1=α，m T ——定性温度（6）水平板大空间自然对流的实验关联式：()Pr ,Gr f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——壁面温度，∞t ——环境温度 特征长度：PA l Pc =，P A ——换热面积，P ——换热周长 体胀系数：mV T 1=α，m T ——定性温度（7）夹层有限空间自然对流的实验关联式：()Pr ,Gr f Nu = 定性温度：2ch m t t t +=，h t ——热面温度，c t ——冷面温度 特征长度：δ=c l ，δ——冷、热面之间的距离流动状态：竖直夹层导热2860≤δGr ，水平夹层导热2430≤δGr（8）膜状凝结的实验关联式：()c l ,,t ,r ,,f h ληρΔ= 定性温度：2ws m t t t +=，s t ——蒸气饱和温度，w t ——壁面温度 特征长度：H l c =，H ——板、柱、球竖直高度流动状态：()16004=-=rt t hl Re w s c c η，c Re ——临界膜层雷诺数（9）大容器膜态沸腾的实验关联式：()c l ,,t ,r ,,f h ληρΔ= 定性温度：2ws m t t t +=，s t ——饱和液体温度，w t ——壁面温度 特征长度：H l c =，H ——横管外径d 沸腾状态：常压下水C 200Δo >t（10）大容器核态沸腾的实验关联式：()wl p C Pr,,,c ,t ,r ,,f h σηρΔ= 定性温度：2ws m t t t +=，s t ——饱和液体温度，w t ——壁面温度 特征长度：H l c =，H ——横管外径d 沸腾状态：常压下水C 25ΔC 4o o <<t。
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传热学第三章对流传热一、名词解释1．速度边界层：在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。
2．温度边界层：在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。
3．定性温度：确定换热过程中流体物性的温度。
4．特征尺度：对于对流传热起决定作用的几何尺寸。
5．相似准则(如Nu,Re,Pr,Gr,Ra)：由几个变量组成的无量纲的组合量。
6．强迫对流传热：由于机械(泵或风机等)的作用或其它压差而引起的相对运动。
7．自然对流传热：流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动。
8．大空间自然对流传热：传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰时的自然对流传热。
9．珠状凝结：当凝结液不能润湿壁面(θ>90˚)时，凝结液在壁面上形成许多液滴，而不形成连续的液膜。
10．膜状凝结：当液体能润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角(液体与壁面交界处的切面经液体到壁面的交角)θ<90˚，凝结液在壁面上形成一层完整的液膜。
11．核态沸腾：在加热面上产生汽泡，换热温差小，且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加热表面的速度，汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加。
12．膜态沸腾：在加热表面上形成稳定的汽膜层，相变过程不是发生在壁面上，而是汽液界面上，但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数，因此表面传热系数大大下降。
二、填空题1．影响自然对流传热系数的主要因素有：、、、、、。
(流动起因，流动速度，流体有无相变，壁面的几何形状、大小和位置，流体的热物理性质)2．速度边界层是指。
（在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。
）温度边界层是指。
（在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。
）3．流体刚刚流入恒壁温的管道作层流传热时，其局部对流传热系数沿管长逐渐，这是由于。
（减小，边界层厚度沿管长逐渐增厚）4．温度边界层越对流传热系数越小，强化传热应使温度边界层越。
（厚，簿）5．流体流过弯曲的管道或螺旋管时，对流传热系数会，这是由于。
（增大，离心力的作用产生了二次环流增强了扰动）6． 流体横掠管束时，一般情况下， 布置的平均对流传热系数要比 布置时高。
（叉排，顺排）7． 管外流动传热，有纵向冲刷和横向冲刷之分，在其他条件相同时，以向冲刷方向传热更为强烈。
（横向）8． 对流传热微分方程式的表达式为 。
其中，αx 是 ，λ是 ，Δt 是 ，0=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂y y t 是 。
（0=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∆-=y x y t t h λ，局部换热系数，流体导热系数，主流流体温度与壁温之差，贴壁处流体的法向温度变化率）9． 纯净饱和蒸气膜状凝结的主要热阻是 。
（液膜的导热热阻）10． 大容器饱和沸腾曲线可分为 、 、 、四个区域，其中 具有温差小、热流大的传热特点。
（自然对流、核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾，核态沸腾）11． 雷诺比拟采用 模型，其结果在Pr ＝ 条件下与实验解相吻合.（单层，1）12． 沸腾的临界热通量是指 。
（当壁面过热度大到某一程度时，汽泡来不及脱离加热面而开始连成不稳定的汽膜，即由核态沸腾开始向膜态沸腾过渡，出现临界点的热流密度）13． 格拉晓夫准则的物理意义 ；表达式Gr＝ 。
（流体流动时浮升力与粘滞力之比的无量纲量，23ναc v tl g ∆）14． 减小管内湍流对流传热热阻的方法有 、 、 、 。
（增加流速，采用短管。
改变流体物性，增加换热面积，扰流，采用导热系数大的流体用小管径等）15． 反映对流传热强度的准则称为 准则。
（努塞尔）16． 普朗特准则Pr 的数学表达式为 ，它表征了的相对大小。
（ν/a ，动量传递与热量传递）17． 管内充分发展湍流的传热系数与平均流速U 的 次方成比.，与内径D 的 次方成 比。
（0．8，正，0．2，反）18． 大空间自然对流处于湍流状态时有自模化特征，此时传热系数与无关。
（尺寸）19．自然对流传热在条件下发生关于特征尺度L的自模化现象.。
（湍流）20．在蒸汽的凝结过程中，凝结的传热系数大于凝结。
（珠状，膜状）21．自然对流传热是指。
（流体在浮升力作用下的对流传热）22．管槽内对流传热的入口效应是指。
（流体入口段由于热边界层较薄而具有较高的对流传热系数）23．流体在大空间沿竖壁作自然对流传热时，对于湍流工况，其对流传热系数正比于竖壁高度的次方。
（0）24．大容器沸腾曲线分为、、、四个区段。
（自然对流、核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾）三、选择题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α（3）普朗特数Pr（4）传热系数h c2．流体纯自然对流传热的准则方程可写成(1)Nu＝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：(1)主流区(2)湍流边界层(3)层流底层(4)缓冲区(5)湍流核心区4．空气自然对流传热系数与强迫对流时的对流传热系数相比：(1)要小的多(2)要大得多(3)十分接近(4)不可比较5．沸腾的临界热流量q c是：（1）从过冷沸腾过渡到饱和沸腾的转折点（2）从自由流动过渡到核态沸腾的转折点（3）从核态沸腾过渡到膜态沸腾的转折点（4）从不稳定膜态沸腾过渡到稳定膜态沸腾的转折点6．流体在大空间沿竖壁自然对流传热时，在湍流状态下；对流传热系数正比于竖壁高度的( )(1)0次方(2)0.8次方(3)l/4次方(4)l/3次方7．液体沸腾时，汽泡内的压力大于汽泡外液体的压力，主要由于下列哪个因素造成的?(1)传热温差(2)表面张力(3)浮升力(4)重力8． 定型准则是指：(1)包含定型尺寸的准则 (2)全部由已知量构成的准则(3)含有待求量的准则 (4)待定准则9． 工程中，较为常用的沸腾工况是指：(1)膜态沸腾 (2)核态沸腾 (3)自然对流沸腾 （4）以上都不是10． 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 (4)采用导热系数大的流体11． 已知某气体的密度为1.26kg/m 3，比热为 1.02kJ/(kg ·K)，导热系数为0.025W/(m ·K)，粘度为15.1×10-6m 2/s ，其Pr(普朗特)准则数为多少?( )(1)0.78 (2)0.02 (3)0.7 (4)0.6212． Nu(努谢尔特)准则反映： ( )(1)惯性力和粘滞力的相对大小 (2)对流传热强度(3)浮升力和粘滞力的相对大小 (4)导热能力大小13． 描述浮升力与黏滞力的相对大小的准则数称为：（1）Re (2)Gr (3)Pr (4)Ra14． 当管长远大于管径时，圆管横向布置时的管外膜状凝结传热系数与竖放时相比如何?（1） 横放时大（2） 两者差不多（3） 竖放时大（4） 无法比较15． 无量纲组合23ναtl g v ∆称为什么准则？(1)雷诺Re (2)普朗特Pr(3)努谢尔特Nu (4)格拉晓夫Gr16． 判断管内湍流强制对流是否需要进行人口效应修正的依据是什么?(1)l/d ≥70 (2)Re ≥104(3)l/d<50 (4)l/d<10417． 对流传热以 作为基本计算式。
(1)傅里叶定律 (2)牛顿冷却公式(3)普朗克定律 (4)欧姆定律18． 从传热角度看，下面几种冷却方式中，哪种方式的冷却效果会最好?(1)水冷 (2)氢冷 (3)气冷 (4)水沸腾冷却19． 相变传热的特征为 。
(1)工质比体积变化较大 (2) 汽化潜热 (3) (1)+(2) (4)工质比体积较大20． 冷却液润湿壁面的能力取决于 。
(1)液体的表面张力 (2)液体与壁面间的附着力 (3) (1)+(2) (4) (1)或(2)21． 在饱和沸腾时，随着 的增高，将会出现 个换热规律全然不同的区域。
(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，622．对流传热微分方程组共有几类方程？(1) 2 (2) 3 (3) 4 (4)523． 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 (4)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；(2)t w ；(3)ε；(4)换热面的几何形状。
25．对于Pr 数，下列说法哪个是错误的？(1)它是动力粘度与热扩散率的比值；(2)它是研究对流传热最常用的重要准则；(3)对于层流流动，当Pr=1时，δ=δt ；(4)它反映了流体中热量扩散和动量扩散的相对程度。
26．自由对流传热的流态主要取决于 的数值。
(1)Pr (2)Fo (3)Re (4)Gr27．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 Ⅱ、对流传热微分方程 Ⅲ、基尔霍夫定律 Ⅳ、连续性方程 Ⅴ、动量微分方程 Ⅵ、能量微分方程(1) ⅡⅢⅣⅤ (2) ⅠⅡⅢⅣ (3)ⅡⅣⅤⅥ (4) ⅢⅣⅤⅥ29．Nu m 其特征温度为 。
(1)流体温度 (2) 平均温度 (3)壁面温度 (4)不定30．当流体外掠圆管时，10<Re<5105.1⨯其边界层为 ，脱体发生在 处。
其局部换热系数到达最 值。
(1) 湍流，1400，低 (2) 层流，1400，高 (3) 湍流，820，低 (4) 层流，820 ，低31．自然对流传热的准则方程为 。
(1)14.031Pr Re 86.1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛μμ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=w f e f f f L d Nu (2).3121Pr Re 664.0m m m Nu = (3)31Pr)(53.0Gr Nu m = (4). ()31Pr ..943.0Ja Ga Nu m =32．影响膜状换热系数的主要因素是 。
(1)蒸汽流速 (2)不凝结气体 (3)表面粗糙度 (4) (1) + (2)四、 简答题1． 影响强迫对流传热的流体物性有哪些?它们分别对对流传热系数有什么影响? （提示：影响强迫对流换热系数的因素及其影响情况可以通过分析强迫对流传热实验关联式，将各无量纲量展开整理后加以表述。
）2． 试举几个强化管内强迫对流传热的方法(至少五个)。
（提示：通过分析强迫对流换热系数的影响因素及增强扰动、采用人口效应和弯管效应等措施来提出一些强化手段，如增大流速、采用机械搅拌等。
）3．试比较强迫对流横掠管束传热中管束叉排与顺排的优缺点。
（提示：强迫对流横掠管束换热中，管束叉排与顺排的优缺点主要可以从换热强度和流动阻力两方面加以阐述：(1)管束叉排使流体在弯曲的通道中流动，流体扰动剧烈，对流换热系数较大，同时流动阻力也较大；(2)顺排管束中流体在较为平直的通道中流动，扰动较弱，对流换热系数小于叉排管束，其流阻也较小；(3)顺排管束由于通道平直比叉排管束容易清洗。