传热学第四版第5章汇总
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表面换热系数的一般函数形式
单相强制对流换热，非高速流动时：
h f u,l, ,, , cp
5-1对流换热概说
对流换热的分类
对流换热
无相变
有相变
强制对流 自然对流 混合对流 沸腾换热 凝结换热
5-1对流换热概说
强制对流
内部流动
外部流动
圆管内强制对流
其他形状截面管 道内的对流换热
外掠单根圆 管的对流换热
dτ时间内流体流动而带出微元体的净热量
qm
out
hout
qm
in
hin
cp
u
t x
v
t y
t
u x
v y
dxdyd
5-1对流换热概说
如何从解得的温度场计算表面传热系数
第一类边界条件时
壁温已知，分析求解的目的是求壁面法线方向的流 体的温度变化率
第二类边界条件时
壁面换热的热流密度已知，分析求解的目的是确定 壁温，从而能由流体主流区的温度，求出上式中的 Δt
第三类边界条件时
表面传热系数已知
3、5
复习题
外掠其他截面形状 柱体的对流换热
外掠平板的 对流换热
外掠圆管 管束的对流换热
射流冲击换热
5-1对流换热概说
自然对流
大空间自然 有限空间自
对流
然对流
5-1对流换热概说
沸腾换热
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾 管外凝结 管内凝结
5-1对流换热概说
对流换热的研究方法
分析法
指对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的 定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的 分析解方法
换热表面的几何因素
几何因素 指的是换热表面的形状、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）
不同换热表面的图示
管内流动
横掠圆管流动
热面向上水平壁
热面向下水平壁
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
流体的物理性质
流体密度ρ、动力粘度η、导热系数λ、比定压热容cp都影 响流体的速度分布及热量的传递，因而影响对流换热
Wnet
流体位能及动能变化小，不考虑摩擦功时的简化
y
dU
dΒιβλιοθήκη Baidu
qm
h out out
qm
in hin
Φy+dy
dτ时间内导热进入微元体的热量
Φx dy
Φx+dx
d
2t x2
2t y2
dxdyd
dx
o
Φy
x
5-2对流换热问题的数学描写
微元体能量平衡分析
dτ时间内微元体的热力学能增量
方式只能是导热。因此，对流换热量就
等于贴壁流体的导热量。
u∞
y xv
δ
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
如何从解得的温度场计算表面传热系数
对流换热表面传热系数的计算式
q t
h t
y
t y
y0
y0
式中λ是流体的导热系数；yt 是流体的温度变化率。
实验法
通过实验获得表面传热系数的计算式仍是目前工程设 计的主要依据。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指导 下进行
5-1对流换热概说
对流换热的研究方法
比拟法
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阻力系数间的相互关系的方法。 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式
微元体能量平衡分析
x方向dτ时间内流体净带出微元体的热量
qm
out
hout
qm
in
hin x
H xdx
Hx
cp
u
t x
t
u x
dxdyd
y方向dτ时间内流体净带出微元体的热量
qm
out
hout
qm
in
hin y
H ydy
Hy
cp
v
t y
t
v y
dxdyd
5-2对流换热问题的数学描写
传热学
第五章 对流换热的理论基础
课件制作：尹华杰
5-1对流换热概说
定义
流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换
影响对流换热的因素
流体流动的因素
自然对流 由于流体内部温度差引起的流体流动
强制对流 由于泵、风机或其他外部动力源造成的流体流动
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
流体有无相变
流体物性为常数、无内热源
粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
除高速的气体流动及一部分化工用流体等情况的对流换热 外，对工程中常见的对流换热问题大都可以作上述假定
5-2对流换热问题的数学描写
微元体能量平衡分析
热力学第一定律
dU
d
qm
out
h
1 2
v2
gz out
qm
in
h
1 2
v2
gz in
U
c p dxdy
t
d
5-2对流换热问题的数学描写
微元体能量平衡分析
dτ时间内通过x、y方向各截面进出微元体的焓
x截面流入微元体的焓
qm
in
hin
x
Hx
cputdyd
x+dx截面流出微元体的焓
q m
out
hout
xdx
H xdx
cp
t
t x
dx
u
u x
dx
dyd
5-2对流换热问题的数学描写
数值法
利用计算机求解
5-1对流换热概说
如何从解得的温度场计算表面传热系数
近壁区流体的速度分布和热量传递方式
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性作用，在靠近
壁面的地方流速逐渐减小，而在贴壁处流体将被滞止
而处于无滑移状态。贴壁处这一极薄的流体层相对于
壁面是不流动的，壁面与流体间的热量传递必须穿过
这个流体层，而穿过不流动的流体层的热量传递
5-2对流换热问题的数学描写
对流换热问题数学描写包括的内容
对流换热是通过流体流动进行热量传递的，需了解流体的 速度分布，因此流体力学的质量守恒，动量守恒关系应包 括在内。传热问题需计算温度场分布，能量守恒是其基本 定律，也必须包括在内。 这些守恒定律以微分方程组表达，还需包括定解条件。
5-2对流换热问题的数学描写
无相变 对流换热是由流体显热的变化实现
有相变 流体相变热的释放或吸收常常起主要作用
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
流体的流动状态
层流 流体微团沿主流方向作有规则的分层流动
湍流 流体各部分之间发生剧烈的混合，在其他条件相同 时湍流换热的强度自然要较层流强烈
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
运动流体能量守恒方程的推导
问题简化假设
流动是二维的
流体为不可压缩的牛顿型流体
流体流动切应力与流体流动方向的速度梯度成正比的流体 为牛顿流体；空气、水以及许多工业用油类属牛顿流体
流体流动切应力与流体流动方向的速度梯度成非线性关系 的流体为非牛顿流体；少数高分子溶液如油漆、泥浆属非 牛顿流体
单相强制对流换热，非高速流动时：
h f u,l, ,, , cp
5-1对流换热概说
对流换热的分类
对流换热
无相变
有相变
强制对流 自然对流 混合对流 沸腾换热 凝结换热
5-1对流换热概说
强制对流
内部流动
外部流动
圆管内强制对流
其他形状截面管 道内的对流换热
外掠单根圆 管的对流换热
dτ时间内流体流动而带出微元体的净热量
qm
out
hout
qm
in
hin
cp
u
t x
v
t y
t
u x
v y
dxdyd
5-1对流换热概说
如何从解得的温度场计算表面传热系数
第一类边界条件时
壁温已知，分析求解的目的是求壁面法线方向的流 体的温度变化率
第二类边界条件时
壁面换热的热流密度已知，分析求解的目的是确定 壁温，从而能由流体主流区的温度，求出上式中的 Δt
第三类边界条件时
表面传热系数已知
3、5
复习题
外掠其他截面形状 柱体的对流换热
外掠平板的 对流换热
外掠圆管 管束的对流换热
射流冲击换热
5-1对流换热概说
自然对流
大空间自然 有限空间自
对流
然对流
5-1对流换热概说
沸腾换热
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾 管外凝结 管内凝结
5-1对流换热概说
对流换热的研究方法
分析法
指对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的 定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的 分析解方法
换热表面的几何因素
几何因素 指的是换热表面的形状、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）
不同换热表面的图示
管内流动
横掠圆管流动
热面向上水平壁
热面向下水平壁
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
流体的物理性质
流体密度ρ、动力粘度η、导热系数λ、比定压热容cp都影 响流体的速度分布及热量的传递，因而影响对流换热
Wnet
流体位能及动能变化小，不考虑摩擦功时的简化
y
dU
dΒιβλιοθήκη Baidu
qm
h out out
qm
in hin
Φy+dy
dτ时间内导热进入微元体的热量
Φx dy
Φx+dx
d
2t x2
2t y2
dxdyd
dx
o
Φy
x
5-2对流换热问题的数学描写
微元体能量平衡分析
dτ时间内微元体的热力学能增量
方式只能是导热。因此，对流换热量就
等于贴壁流体的导热量。
u∞
y xv
δ
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
5-1对流换热概说
如何从解得的温度场计算表面传热系数
对流换热表面传热系数的计算式
q t
h t
y
t y
y0
y0
式中λ是流体的导热系数；yt 是流体的温度变化率。
实验法
通过实验获得表面传热系数的计算式仍是目前工程设 计的主要依据。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指导 下进行
5-1对流换热概说
对流换热的研究方法
比拟法
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阻力系数间的相互关系的方法。 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式
微元体能量平衡分析
x方向dτ时间内流体净带出微元体的热量
qm
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hout
qm
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hin x
H xdx
Hx
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u
t x
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dxdyd
y方向dτ时间内流体净带出微元体的热量
qm
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qm
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hin y
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Hy
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v y
dxdyd
5-2对流换热问题的数学描写
传热学
第五章 对流换热的理论基础
课件制作：尹华杰
5-1对流换热概说
定义
流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换
影响对流换热的因素
流体流动的因素
自然对流 由于流体内部温度差引起的流体流动
强制对流 由于泵、风机或其他外部动力源造成的流体流动
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
流体有无相变
流体物性为常数、无内热源
粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
除高速的气体流动及一部分化工用流体等情况的对流换热 外，对工程中常见的对流换热问题大都可以作上述假定
5-2对流换热问题的数学描写
微元体能量平衡分析
热力学第一定律
dU
d
qm
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1 2
v2
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qm
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5-2对流换热问题的数学描写
微元体能量平衡分析
dτ时间内通过x、y方向各截面进出微元体的焓
x截面流入微元体的焓
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Hx
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5-2对流换热问题的数学描写
数值法
利用计算机求解
5-1对流换热概说
如何从解得的温度场计算表面传热系数
近壁区流体的速度分布和热量传递方式
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性作用，在靠近
壁面的地方流速逐渐减小，而在贴壁处流体将被滞止
而处于无滑移状态。贴壁处这一极薄的流体层相对于
壁面是不流动的，壁面与流体间的热量传递必须穿过
这个流体层，而穿过不流动的流体层的热量传递
5-2对流换热问题的数学描写
对流换热问题数学描写包括的内容
对流换热是通过流体流动进行热量传递的，需了解流体的 速度分布，因此流体力学的质量守恒，动量守恒关系应包 括在内。传热问题需计算温度场分布，能量守恒是其基本 定律，也必须包括在内。 这些守恒定律以微分方程组表达，还需包括定解条件。
5-2对流换热问题的数学描写
无相变 对流换热是由流体显热的变化实现
有相变 流体相变热的释放或吸收常常起主要作用
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
流体的流动状态
层流 流体微团沿主流方向作有规则的分层流动
湍流 流体各部分之间发生剧烈的混合，在其他条件相同 时湍流换热的强度自然要较层流强烈
5-1对流换热概说
影响对流换热的因素
运动流体能量守恒方程的推导
问题简化假设
流动是二维的
流体为不可压缩的牛顿型流体
流体流动切应力与流体流动方向的速度梯度成正比的流体 为牛顿流体；空气、水以及许多工业用油类属牛顿流体
流体流动切应力与流体流动方向的速度梯度成非线性关系 的流体为非牛顿流体；少数高分子溶液如油漆、泥浆属非 牛顿流体