传热学第五章_对流换热原理-1

5．流体的热物理性质
如果把手放在同温度的静止冷空气和冷水中，将会感到水 比空气冷一些。这是因为，水和空气的热物理性质不同， 对流换热的强度不同引起的。由绪论可知，对流换热是导 热和流动着的流体微团携带热量的综合作用，因此对流换 热系数与反映流体导热能力的导热系数λ、反映流体携带 热量能力的密度及定压比热容CP有关。另外，流休的粘 度η(或运动粘度)的变化引起雷诺数的变化，从而影响流 体流态和流动边界层厚度δ。体膨胀系数αV影响自然对流 换热时浮升力的大小和边界层内的速度分布(强迫对流强 烈时αV的影响往往可以忽略）。因此，流体的这些物性值
自然对流换热是流体在浮升力的作用下运动而引起的对流换热。 强迫对流换热是流体在泵和风机及其它压差作用下流过换热面时的对 流换热。流动的起因不同，换热规律不同，对流换热系数也不同。一 般，同一流体的强迫对流换热系数比自然对流换热系数大。
2．流动速度
由流体力学可知，流体纵掠平板时，流速增加，层流边界层厚度 减小，紊流边界层中层流底层的厚度也减少，对流换热热阻减小，对 流换热系数增加。 流速增加，雷诺数增加。雷诺致的增加有时会使流
征进行粗略的分析。
下图表示一个简单的对流换热过程。流体以来流速度u和来 流温度t流过一个温度为tw的固体壁面。选取流体沿壁面 流动的方向为x坐标、垂直壁面方向为y坐标。
y t∞ u∞
tw
qw
x
• 壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不 滑移的状态（此论点对于极为稀薄的流体是不适用的）。
递过程，是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。 • 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 • 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
②对流换热的特点：
(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；同时必须
有温差 ③特征：以简单的对流换热过程为例，对对流换热过程的特
壁面的形状、大小和位置对流体在壁面上的运动状态、速 度分布和温度分布都有很大影响。 图5—1a示出了几何形 状对强迫流动情况的影响，分别表示流体纵掠平壁、管内 强迫流动和横掠单管时的流动情况。团5—1b示出了坚直 乎壁、热面向上和向下的水平平壁上自然对流的情况。由 于换热面的几何形状、位置不同，流体在传热面上的流动
对流换热：导热 + 热对流；壁 面+流动
① 流动起因
• 自然对流：流体因各部分温 度不同而引起的密度差异所 产生的流动（Free convection）
• 强制对流：由外力（如：泵、 风机、水压头）作用所产生 的流动（Forced convection）
h强制 h自然
② 流动状态 • 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminar flow） • 湍流：流体质点做复杂无规则的运动 • （Turbulent flow）
第五章 对流换热原理
§5-1 对流换热概述 §5-2 对流换热问题的数学描写 §5-3 对流换热的边界层微分方程 组 §5-4 边界层积分方程组的求解及 比拟理论 §5-5 相似原理及量纲分析 §5-6 相似原理的应用
§5-1 对流换热概述
①1对对流流换热换定热义过：流程体和与之接触的固体壁面之间的热量传
h湍流 h层流
紊流流动极为普遍 自然现象：收获季节的麦浪滚滚，旗帜在微 风中轻轻飘扬，以及袅袅炊烟都是由空气的 紊流引起的。
③ 流体有无相变
• 单相换热 • 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化
无相变时流体仅改变显热，壁面与流体间有较大 的温度差；而有相变时，流体吸收或放出汽化潜 热。对于同一种流体，其汽化潜热比热容大得多， 所以有相变时的对流换热系数比无相变时大。此 外，沸腾时液体中汽泡的产生和运动增加了液体 内部的扰动，也使对流换热得到强化。
3．流体有无相变
对流换热无相变时流体仅改变显热，壁面与流体间有较大 的温度差，而对流换热流体有相变时，流体吸收或放出汽 化潜热。对于同一种流体其汽化潜热比比热容大得多，所 以有相变时的对流换热系数比无相变时大。此外，沸腾时 液体中汽泡的产生和运动增加了液体内部的扰动，也使对 流换热强化。 4．换热面的几何形状、大小和位置
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 (u,l, Cp )
（5-2)
③ 确定对流换热系数h函数关系式的方法 ——理论解法 ——实验解法 ——比拟法 ——数值法
理论解法（分析法）是在所建立的边界层对流
换热微分方程组的基础上，通过数学分析解法、 积分近似解法、数值解法和比拟法求得对流换热 思系路数：h取的控表制达体式，。利一用般能可量以守有恒和动量守恒建立微分 （方a程）组建并立结边合界单层值内性的条微件分求方解程。组求解h (b) 建立边界层的积分方程组求解h （近似解法）
• 由于粘性力的作用，使流体速度在垂直于壁面的方向上发 生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的 速度值。
• 同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流 体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热 对流），也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变 化到来流温度。
2 对流换热的分类
h相变 h单相
④ 流体与固体壁面的接触方式 • 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 ⑤ 流体运动是否与时间相关 • 非稳态对流换热：与时间有关 • 稳态对流换热：与时间无关
圆管内强制对流换热 内部流动
其它形状管道的对流换热
强制对流
பைடு நூலகம்外掠平板的对流换热 外掠单根圆管的对流换热
外部流动 外掠圆管管束的对流换热
无
外掠其它截面柱体的换热
相
射流冲击换热
变
大空间自然对流
对
自然对流
有限空间自然对流
流
换
混合对流
热 有 沸腾换热 相 变 凝结换热
大空间沸腾
管内沸腾 管内凝结
管外凝结
3 对流换热系数
①对流换热系数(表面传热系数)
h Φ (A(tw t )) [W (m2C)]
（5-1)
物理意义：当流体与壁面温度相差1℃时、 每单位壁面面积上、单位时间内所传递的 热量.
确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问 题
②影响对流换热系数的因素
对流换热是流体流过固体壁时的热量传递。它是由热对流 和导热构成的复杂的热量传递过程。因此，影响对流换热 系数的因素不外乎是影响流动的因素及流体本身的热物理 性质。 1．流动的起因