传热学 第五章 对流原理汇总

（５.３）
式(5-3)描述了对流换热系数与流体温度场的关系，称为 对流换热过程微分方程式
由式可知：在流体性质和传热温差一定的情况 下，对流换热系数α的大小取决于边界层内的 温度梯度。一切能提高温度梯度的因素都能强 化换热过程，反之，将削弱换热过程。对于不 存在相变(如无沸腾、冷凝现象)的单相流体对 流换热过程，各种因素往往通过影响边界层厚 度而影响。
如果流体的流动是由于流体冷热部分的密度不同 引起的浮升力造成的，则称为自然对流。暖气 片的散热，蒸汽或其他热流体输送管道的热量 损失，都与这类换热有关。
一般来讲：强迫对流
换热优于自然对流。
二、
在分析对流换热时，还应分清流体的流态。 流体力学告诉我们，流体受迫在流道内流 动时可以有两种不同性质的流态。流体分 层地平行于流道的壁面流动，呈现层流状 态。但当流动状态到超过某一临界值时， 流体的流动出现了旋涡，而且在不断地发 展和扩散，引起不规则的脉动，使流动呈 现紊流状态。
流体主流温度tf，以后基本不变。通常，把 无量纲过余温度比(t－tw）/（tf－tw）＝０的 壁面处到(t－tw）/（tf－tw）＝0.99处的那一 流体层视为热边界层，其沿壁面法线方向的
距离定义为热边界层的厚度，用符号δt表示。
显然，流体温度的分布与流体的流动有关， 深受速度边界层的影响。流体呈层流状态时， 流体微团沿相互平行的流线进行，没有横向 流动，不发生物质交换，壁面法线方向上的 热量传递，基本上靠分子的导热进行，层内 温度变化较大，温度分布呈抛物线型。对于 紊流边界层，其中层流底层的热量传递也是 靠导热，而在紊流核心层的热交换，除靠分 子的导热外，主要靠流体涡流扰动的对流混 合，从而使得层流底层的温度梯度最大，而 在紊流核心层温度变化平缓比较均匀一致。
层流边界层 过渡区 紊流边界层 层流底层 紊流核心区 主流区 速度边界层厚度 临界距离
层流
过渡流
湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
根据流体力学知识，层流边界层厚度
5 xv 5x 5x
v
f
vx
f
Re x
Байду номын сангаас
在层流边界层内的速度分布线为抛物线型；
在紊流边界层内，层流底层部分的速度
分布较陡，接近于直线，而在底层以外
对流换热系数α表征着对流换热的强弱。
在数值上，它等于流体和壁面之间的温度 差为1℃时，通过对流换热交换的热流密 度。单位为W/(m２·℃)。
对流换热量以及相应的换热系数的大小，将 更多地取决于流体的运动性质和情况。
一、速度边界层
流体力学指出，具有粘性且能湿润固 体壁面的流体，流过壁面会产生粘性力。 根据牛顿粘性（内摩擦）定律，流体粘性 力τ与垂直于运动方程速度梯度(dv/dy） 成正比，即:
流体的流动究竟是层流还是紊流，可用 无因次的雷诺数的大小来判断。
第五章 对流换热
对流换热是指流体与固体壁面直接 接触时所发生的热传递过程。这一章， 我们要进一步探讨对流换热的机理，分 析影响对流换热的各种因素，并简要介 绍用因次分析法确定对流换热系数的方 法等。
对流换热分类：
1.按有无相变分类：有相变的对流换热和无相 变的对流换热。
2.按流动原因分类：强（受）迫对流换热和自 然对流换热。
图5-2为流体流过平板时热边界层的形成 和发展过程。
假定恒物性流体进入平板时的温度各处均匀 一致，为tf，平板表面温度也各处均匀一致， 为tw，且tf＞tw。由图可见；热边界层内，垂 直壁面法线方向上温度分布情况，是紧贴壁
面的流体温度等于壁面温度tw，随着离壁面 距离的增加，温度逐渐升高，直到某处等于
一、流体流动的原因
根据引起流体流动的原因，可将对流换 热分为受(强）迫流动对流换热和自然对 流换热两大类。
如果流体的流动是由泵、风机或其他压 差作用所造成，称受（强）迫流动。油 气输送管线，伴热管线中流体与壁面的 换热、大中型内燃机中流过散热器中的 水、风等都属于此类。
当流体在管内受迫流动时，边界层的形 成和发展如图5-4所示。
3.按流体流过壁面情况分类：内部（有界）流 动对流换热和外部（无界）流动对流换热。
5.1 速度边界层和热边界层
对流换热是导热和热对流同时起作用
的过程，过程中所传热量的基本计算依据是 牛顿冷却定律，即
Ｑ＝αＡ（tf－tw） W 或 q＝α（tf－tw） W／m２
（5-1）
α ＝q/（tf－tw） W
τ＝μ（dv/dy） Ｎ／m２ （5-2）
式中，μ称为流体的动力粘度，单位为Pa·s 或kg/(m·s）。
当粘性流体以主流速度vf流过固体壁面 时，由于流体的粘性产生的壁面的摩擦
力，使紧贴壁面处流体的速度降为零，
离壁面愈远的流体速度愈接近于来流速 度vf，沿壁面法线方向上出现速度梯度。 流体力学中，把具有明显速度梯度的那 一层流体薄层叫做速度边界层，图5-1表 明了速度边界层在平板上的形成和发展 过程。
的区域，由于流体微团的紊流运动，动 量传递被强化了，速度变化趋于平缓。
二、热边界层
热边界层又称温度边界层，它和速度边 界层的概念相类似。实验表明，当流体 流过与其温度不同的固体壁面时，在紧 贴壁面的那一层流体中，沿壁面法线方 向温度发生显著变化，流体的温度由壁 面温度变化到主流温度。传热学中，把 温度发生剧烈变化，具有明显温度梯度 的这一流体薄层称为热边界层。
三、换热微分方程式
温度差主要集中在热边界层内，通过紧贴壁面的层流边
界层和层流底层的热量只能以导热方式进行,由付立
叶定律计算:
qx
f
( t y
)w,
x
(a)
所有的传热量都必须通过这薄层流体，局部换热系数为
αx，据牛顿冷却定律：
qx x (t f tw)x
（b)
x
(t
f
f
tw)x
(
t y
)w,x
如果层流底层的厚度减小，则相应的温度边界 层的厚度也要减小，从而使得温度梯度上升， α也增高。因此，通过改善流动状况，使层流 底层厚度减薄，是强化对流换热的主要途径之 一。
下面我们就着重围绕这一线索来分析各种因素 对α的影响。
5.2
影响对流换热的因素很多，研究表 明，对流换热的强弱与流体的流动原因、 流态、流体的性质、壁面的几何特征以 及流体相对于壁面的位置、流体有无相 变等有关。