对流传热
第四节对流传热
特点：传热阻力小，给热系数α大。
热流方向
热流方向
滴 膜
工业上遇到的大多数是膜状冷凝 故冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理
蒸汽 ts
蒸汽 ts
2.蒸汽冷凝的对流传热系数经验关联式
(1)蒸汽在水平管外的膜状冷凝时的对流传热系数
单管： 管束：
1
0.725
3 2 r d0 t
cp 2.13kJ kg oC; 0.138W m1 oC1 体积膨胀系数 6910-5 oC-1; 0 oC时的密度0 =889kg m-3 粘度和温度T(K)的关联可用 4.7510-6 exp(5550 / K )表示;
管内流速u 0.32m s-1;
求：给热系数及所需要换热器的长度
当壁温难以确定时 μ / μ壁 可按以下处理：
气体（加热、冷却） 液体被加热 液体被冷却
μ / μ壁 = 1.0 μ / μ壁 = 1.05 μ / μ壁 = 0.95
（3）短管中强制湍流时对流传热系数
当l/d < 60时，根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式 计算α。 最后乘以管入口效应校正系数
分析：
A Q
Q
Q ms1cp1(T1 T2 )
ms1
4
d
2u
L
(T TW )
A
T
T T1 T2
2
α
选用合适的公式
Re
注意：所有物性参数与特性温度有关系
具体解题过程见P167页例5-15
六、管外强制对流的对流传热系数
1. 流体在管束外垂直流过
管外流动由于结构件因素，易产生边界层分离现象， 从而使局部传热系数在不同位置相差较大。
分析： （1）确定流动型态-----自然对流
对流传热概述(共用)
湍流主体：
管中心附近的流体
速度边界层（包括层流边界层及湍流边界层）内在垂直于流动方向上存在速度梯度，之外的区 域流速均一，不存在速度梯度。故，流动阻力主要集中在速度边界层内，之外的流体区域没有流动阻 力损失。 以上是对平板上的流动来说的。对流体在管内流动来说，边界层厚度为管半径，故不存在速度边 界层之外的流体区域。
略
圆管内湍流边界层的形成与发展
临界距离：层流边界层内开始出现湍流
稳定段
r
u∞ u∞
0
u
层流边界层
湍流边界层
层流底层
稳定段之后管内流体按流动类型 分为3个区域
（设充分发展后的流动为湍流。不是层流）
层流底层：
近壁面处一薄层流体
过渡层：
界于层流底层与湍流主体之间的流体 过渡层 层流 湍流主体区 底层 稳定段之后速度边界层的划分
过渡层中层流底层中过渡区与层流底层的总热阻根据串联传递过程的一般规律子过程上的推动力与其阻力成正比知故对流传热的热阻主要集中在层流底层中该子过程是传热过程速率的控制步骤设法减薄层流底层的厚度是强化对流传热速率的主要途径
第二节 （流体与壁面间的）对流传热概述
内管 外管
物理量的符号：
在以后的温度曲线图及公式中，
（王志魁，P275。 p308汽化热共线图）
r纯 = f (物质种类，压强，温度 )
对流传热 (Convection)
化工原理
化工原理
对流传热 (Convection)
1.1 对流传热分析 1.2 对流传热速率方程和对流传热系数
2
1.1 对流传热分析
有效滞流膜理论
3
1.2 对流传热速率方程和对流传热系数
一、对流传热速率方程 ——牛顿公式
速率
ห้องสมุดไป่ตู้
推动力 阻力
系数 推动力
dQ
t
t
t 1
dAt（局部）
dA dA
工程计算中采用平均值：Q At
若热流体在管内，冷流体在管外，则： dQ i (T Tw )dAi dQ 0 (tw t)dA0
4
1.2 对流传热速率方程和对流传热系数 二、对流传热系数
定义： Q [W/m2.℃]
At
单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率 不是物性，而是受多种因素影响的一个参数 常用对流传热的α值范围见表3-2
对流传热
2019/2/18
①牛顿冷却定律 —— 对流给热的工程处理方法
由于对流给热的复杂性，难以直接严格的数学推导，求 出流体中的温度分布，从而得到壁面上的温度梯度，再得
出热流密度q。同时自然对流的影响难以定量估计。
工程处理方法：将对流给热的热流密度写成如下形式：
q (Tw T ) Q A(Tw T )
Nu K Re Pr Gr
a b
c
——无相变时对流传热系数的普遍关联式。 3、应用准数关联式应注意的问题 1）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。 2）特征尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。 3）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
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（1）定性温度：查取所需物性数据的温度基准
选择：本质上是对物性取平均值问题。
tw t tm 2
（壁温和主体温度的算术平均值）
壁温难以测定，以流体主体的平均温度（代 tm）简单 方便（进、出口温度平均值）
t进 t出 tm 2
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（2）特征尺寸：指对给热过程产生直接影响的几何尺寸
圆管特征尺寸取管径d 管内强制 对流给热
非圆形管，取当量直径
4 流动截面 de 传热周边
大空间自然对流，取加热或冷却表面的垂直高度。
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六、对流给热系数的经验关联式
传热过程的准数关系式
Nu K Rea Prb Gr c
通过因次分析得出
强制对流给热 液体无相变化的给热过 程 自然对流给热 化工中的对流给热 发生相变化的给热过程 蒸汽冷凝给热 液体沸腾给热
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t q 1 牛顿冷却定律， q t 二者比较 t t 热传导公式， q q t t 对流给热热阻可相当于某个
对流传质系数和对流传热系数的关系式
对流传热系数是热工学中非常重要的一个参数，它描述了流体在流动状态下传热的效率。
而对流传质系数则描述了气体或液体中溶质在对流传质过程中的传递效率。
对流传热系数和对流传质系数之间存在一定的关系，本文将从理论和实验角度探讨这两者之间的关系式。
一、对流传热系数的定义在热传递过程中，传热介质与传热表面直接接触并通过对流传热方式传递热量。
对流传热系数h描述了单位时间内单位面积内的热量传递率。
它的数值大小取决于传热介质的性质、流体流动状态、传热表面的几何形状等因素。
二、对流传质系数的定义对流传质系数K描述了单位时间内单位面积内的溶质传递率。
在液体或气体中，溶质可以通过对流传质的方式在流动的介质中传递。
对流传质系数对于描述溶质在流体中的传递效率起着至关重要的作用。
三、传热和传质的相似之处在传热和传质过程中，传递的方式都是通过流体的对流运动来实现的。
无论是传热还是传质，都是通过流体流动将热量或溶质从一个地方传递到另一个地方。
传热和传质在某种程度上具有共性。
四、对流传热系数与对流传质系数的关系通过理论分析和实验研究，可以得出对流传热系数h和对流传质系数K之间存在一定的关系。
在一些情况下，对流传热和对流传质的传递过程具有相似的特性，因此它们之间的关系也具有一定的相似性。
在一些传热和传质过程中，对流传热系数h与对流传质系数K之间存在着如下的关系式：h = α·K其中，α为传热和传质的相似系数。
在一些情况下，可以通过实验测定α的值，从而通过对流传质系数K来间接推导出对流传热系数h的数值。
五、结论对流传热系数和对流传质系数是描述流体传热和传质过程中重要的参数。
通过对其进行研究，我们可以更深入地了解流体传递热量和溶质的过程，从而提高传热和传质的效率。
而对流传热系数和对流传质系数之间存在一定的关系，通过研究和实验可以得出它们之间的关系式，从而更好地应用于工程实践中。
对流传热系数和对流传质系数的研究具有重要的理论和实际意义，希望未来可以进一步深入研究这一领域，在工程实践中更好地应用这些参数。
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。
对流传热
表示自然对流影 响的准数
4、流体无相变时的对流传热系数 对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其 粘度小于2倍常温水的粘度的流体，可用 下式求取给热系数。
0.8 n Nu=0.023Re Pr
0.023d Re
0.8
Pr
n
式中 n值随热流方向而异，当流体被加热 时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。 应用范围：Re>10000， 0.7 < Pr < 120， L/di ≥60 。 若L/di <60，需将上式算得的α乘以 [1+(di/L)0.7]加以修正。
沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，
气泡产生和运动情况，对α 影响极大。 沸腾分类： ① 按设备尺寸和形状不同 池式沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾（有复杂的两相流）。 ② 按液体主体温度不同
液体主体
t
液体主体
t < ts
过冷沸腾：液体主体温度t < ts，
气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：t≥ts动，沿壁面法向没 有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热 方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此 热阻较大，温度梯度大。 2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热 传导和对流传热同时起作用，热阻较小。 3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度 基本均匀，无温度梯度。 因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层， 减薄其厚度是强化传热过程的关键。
2) 大容积饱和沸腾曲线 曲线获得：
实验，并以 t 作图
（t tw ts，即过热度）
实验条件: 大容积、饱和沸腾。
自然对流
h
核状沸腾
C
膜状沸腾
不稳 定膜 状
稳 定 区
对流换热概念
对流换热概念
1、定义
对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。
对流换热是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。
热对流（thermal convection/heat convection）又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，是传热的三种方式之一。
2、特点
对流换热：导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。
热对流：只能发生在流体(气体和液体)之中，且必然同时伴有流体本身分子运动所产生的导热作用。
3、形式
对流换热：流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。
相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。
热对流：自然对流；强迫对流和湍流，其中以湍流的热传递速率最高。
自然对流是由温度不均匀而引起流体内压强或密度不均匀，从而导致循环流动。
如煮水时水的上下循环流动。
4.3对流传热
p t s
（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大
30
27
r’=r+cp(tv-ts)
影响较小
(5) 传热面情况 设置导流槽，减薄液膜厚度，
（二）液体沸腾时的对流传热 大容器沸腾 和 管内沸腾 1、沸腾现象 沸腾必要条件： 存在汽化核心
在粗糙加热面的细小凹缝处：
汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面 新汽泡形成搅动液层 • 过热度 t=（t－ts）
（1）膜状冷凝 （2）滴状冷凝
冷凝过程的热阻——冷凝液膜 滴 > 膜
23
2、 蒸气在水平管外膜状冷凝
2 gr3 0.725 n2 / 3 d t 0
r——比汽化热
1 4
n——水平管束在垂直列上的管数
t s tW 定性温度：tSr，其它膜温 t 2
一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)
简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)
10
3、使用准数关联式时注意 （1）应用范围
（2） 特征尺寸
（3）定性温度 强制对流
无相变
自然对流
蒸汽冷凝 液体沸腾
有相变
11
四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式
（一）流体在管内强制对流传热
L Nu
表示对流传热系数的特征数
（2）雷诺（Reynolds）数
Re
L u
反映流体的流动状态 对对流传热的影响
9
（3） 普兰特（Prandtl）数
Pr
Cp
L gt
3 2
反映流体的物性对对流传 热的影响
传热学对流传热原理
+v
t y
=
cp
2t x2
+
2t y2
4个方程，4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和温度场(t) 以及压力场(p), 既适用于层流，也适用于湍流（瞬时值）
➢ 边界层型对流传热问题的数学描写
动量方程中的惯性力项和能量方程中的对流 项均为非线性项，难以直接求解
边界层理论
简化
流动
普朗特 速度边界层
2t y2
→固体中的热传导过程是介质中传热过程的一个特例。
稳态对流换热微分方程组:
(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
u v 0 x y
（u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x 2
2u y 2
)
（u
v x
v
v y
)
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
hx
t
t
y
w
,x
u
t x
5.4 相似原理与量纲分析
1、目的—— 简化实验 • 减少自变量的个数
1
1
hx x
0.332
u x
2
3
v a
Nu x
0.332
Re
1 x
2
Pr
1
3
• 缩小实验模型的尺寸 • 反映同一类现象的规律性
建立基于相似理论的实验关联式
（1）相似分析法；（2）量纲分析法
控制方程的无量纲化
二维、稳态、常物性、不可压缩、不计重力、无内热源、 无粘性耗散、牛顿流体的外掠平板强迫对流换热。
• y=0：u = 0, v = 0, t = tw
对流传热
对流传热
13:55:09
1
对流传热系指两种流体之间或流体与其接触的固体壁面之 间因存在温度差而发生的传热过程。根据对流产生的原因， 间因存在温度差而发生的传热过程。根据对流产生的原因， 可分为强制对流 自然对流。 强制对流和 可分为强制对流和自然对流。对流传热在工程上应用非常广 对其进行研究具有重要的实际意义。 泛，对其进行研究具有重要的实际意义。 由于在描述对流传热的能量方程中出现了速度项， 由于在描述对流传热的能量方程中出现了速度项，说明 对流传热的温度分布是受速度分布影响的， 对流传热的温度分布是受速度分布影响的，亦即在对流传 热过程中温度分布与速度分布之间将会发生相互作用。 热过程中温度分布与速度分布之间将会发生相互作用。因 此，解决对流传热问题需要用到流体运动方程。 解决对流传热问题需要用到流体运动方程。 本章将以运动方程、连续性方程和能量方程为基础， 本章将以运动方程、连续性方程和能量方程为基础，运用 边界层理论和湍流理论，分析对流传热的机理，探讨流体内 边界层理论和湍流理论，分析对流传热的机理， 部温度变化规律，解决对流传热速率问题。 部温度变化规律，解决对流传热速率问题。1:55:09 2第一节
一、对流传热的机理
对流传热的基本理论
层流内层 流体呈层状运动 ， 由于在垂直于流动方 流体呈层状运动， 向上不存在对流， 向上不存在对流 ， 故在垂直于流动方向 上的热量传递只能以导热的方式进行。 上的热量传递只能以导热的方式进行 。 在层流内层中温度梯度较大。 在层流内层中温度梯度较大。 流体沿固体 壁面的流动 对流传热和导热的作用大致相同， 对流传热和导热的作用大致相同，在过渡 过 渡 层 层内温度变化比较缓慢。 层内温度变化比较缓慢。 热量传递以旋涡运动所引起的对流传热为 温度梯度很小。 主，温度梯度很小。
传热基本方式例子
传热基本方式例子
传热的基本方式主要有三种：传导、对流和辐射。
下面提供了一些关于这三种传热方式的例子：
1.传导：传导传热是物体内部的分子或原子之间的热能传递方式。
例如，当两个物体接触时，热量会从温度较高的物体传递到温度较低的物体。
还有，烤肉时，热量通过铁板从火源传递到食物中，使食物变热并烹饪成熟。
2.对流：对流传热是流体（气体或液体）中的热能传递方式。
例如，当一杯热咖啡放在桌子上时，咖啡的热量会通过对流传递到周围的空气中，使周围空气变暖。
还有，暖气系统通过热水或蒸汽在管道中的流动将热量传递到房间中，使房间变暖。
3.辐射：辐射传热是热能以电磁波的形式传递的方式。
例如，太阳辐射出大量的热能，地球通过吸收太阳的辐射热能而变暖。
还有，电烤箱通过红外线辐射将热能传递到食物上，使食物烤熟。
在实际生活中，这三种传热方式往往同时存在，共同作用。
例如，在做饭时，炉火发出的热量首先通过辐射传递到锅具上，然后锅具通过传导将热量传递给食物，同时炉火的热量还通过对流传递给锅中的液体或气体，共同烹饪食物。
对流传热
• 特征尺寸为管内径 i 特征尺寸为管内径d 注意事项： 流体被加热时， ＝ ； 注意事项： • 流体被加热时，n＝0.4； 被冷却时，n＝0.3。 被冷却时， ＝ 。
ρ cp λ λ duρ 0.8 c p µ n u α = 0.023 ( ) ( ) = 0.023 0.2 ⋅ 0.8 d µ λ d µ
Nu = m Re Pr Gr
a b
c
αl Nu = λ duρ Re = µ
Pr = cpµ
（努塞尔特准数）
Nusselt，表征传热系数的准数 ，
Reynolds，流动型态对对流传热的影响 ，
（雷诺准数）
λ
（普朗特准数）
Prandtl，流体物性对对流传热的影响 ，
βg∆tl 3 ρ 2 Gr = Grashof，自然对流对对流传热的影响 ， 2 µ （格拉斯霍夫准数）
α∝
u 0 .5 5 de
0 .4 5
提高壳程对流传热系数的措施： 提高壳程对流传热系数的措施： 1） u ↑ ） 2） ）
α ↑; 但 u ↑ 流 动 阻 力 ∝ u , h f ↑
2
de ↓ α ↑
3）加强湍动，α↑ ）加强湍动， 注意：换热器无折流挡板时， 注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管 束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子 对流给热系数按管内强制对流计算， 的内径换为当量直径。 的内径换为当量直径。
f = 1−
6 × 10 Re
5
1.8
<1
(4) 弯曲管内
δ↓ α↑
d ε R = 1 + 1.77 > 1 R
对流传热的实验研究
对流传热的实验研究热是一种能量的传递方式，而传热则是热能从高温区向低温区传递的过程。
在日常生活中，我们经常会遇到各种与传热相关的现象，比如热水壶里的水会逐渐变凉，夏天的风扇能够给人带来凉爽的感觉等等。
这些现象背后隐藏着许多有趣的科学原理，通过实验研究，我们可以更深入地了解传热的规律。
一、对流传热实验的基本原理对流传热是指热能通过流体的对流传递。
在对流传热实验中，我们通常使用液体或气体作为传热介质。
液体和气体的分子之间存在着不断的热运动，当液体或气体受热时，其分子的热运动会加剧，分子之间的距离也会变大，从而导致液体或气体的密度减小，形成热胀冷缩的现象。
这种现象会引起流体的对流运动，从而实现热能的传递。
二、自然对流传热实验自然对流传热是指在无外力作用下，由于密度差异引起的对流传热现象。
一个常见的自然对流传热实验是通过热水和冷水的混合来观察热能的传递过程。
实验中，我们可以准备两个容器，一个装满热水，一个装满冷水。
然后将两个容器的液体缓慢地倒入一个较大的容器中，观察液体的混合过程。
我们会发现，热水和冷水混合后，整个容器中的温度会逐渐均匀起来。
这是因为热水和冷水之间存在着温度差异，热水的密度较小，冷水的密度较大，所以热水会上浮，冷水会下沉，形成对流运动，从而实现热能的传递。
三、强制对流传热实验强制对流传热是指在外力的作用下，通过强制流体的对流运动来实现热能的传递。
一个常见的强制对流传热实验是通过使用电热丝和风扇来观察热能的传递过程。
实验中，我们可以将一个电热丝放置在一个封闭的容器中，并在容器的一侧安装一个风扇。
当电热丝通电时，它会产生热量，使容器内的空气温度升高。
同时，风扇会将热空气吹向容器的另一侧，形成强制对流运动。
我们可以通过测量不同位置的温度来观察热能在容器内的传递过程。
通过这个实验，我们可以发现，随着时间的推移，容器内的温度会逐渐均匀起来。
这是因为电热丝产生的热量会使空气温度升高，而风扇的作用会将热空气吹向容器的其他部分，从而实现热能的传递。
对流传热机理
对流传热机理
传热是物理学中一个非常重要的分支，涉及到热力学和热学相关
的许多现象。
在传热过程中，物质通过不同的方式传递热能，其中包
括导热、对流传热和辐射传热。
本文将主要探讨对流传热的机理及其
应用。
对流传热是指物质通过流动传递热能的方式。
在自然界中，许多
自然现象都与对流传热密切相关，如风、海浪、河流等。
在工业生产
和能源利用中，对流传热也扮演着重要的角色，如汽车散热器、空调、锅炉等。
对流传热机理主要参考热传递中的史特兰数，即相对流体动量和
黏性作用的比值。
当史特兰数大于1时，对流传热成为主导，而导热
则成为辅助作用。
而当史特兰数小于1时，导热则成为主导。
因此，
对流传热的关键在于流体的流动性能和黏性。
对流传热的流动形式分为自然对流和强制对流。
自然对流是指当
温度差异引起的密度差异超过大气的稳定层时，流体自然产生对流现象。
强制对流则是指当流体被外部强制驱动时发生的对流现象。
在实际的应用中，对流传热常常被用于工业生产和能源利用。
例如，对于汽车散热器，通过辅助风扇等手段增加流体的流动性能，以
提高对流传热效果。
对于空调和锅炉等设备，通过强制流体的流动性
能来实现对流传热。
此外，在太阳能以及地热能等方面的能源利用中，对流传热也起到了非常重要的作用。
总之，在传热机理中，对流传热是一个非常重要的分支，是人类对自然热力学与工业生产中所利用的一个不可或缺的方式。
希望本文能够对大家了解对流传热机理有所帮助，同时也向大家展示了对流传热在工业生产和科技发展中的广泛应用。
第二节 热对流
（2）流体在管内层流流动时，不仅靠近管壁处而且沿整
个管截面流体，都是一层一层地平行流动，此时为δ最大，则 α最小，所以有α滞<<α湍 。
2.流体的物理性质
对α影响较大的特性有：CP，λ，ρ，μ等。 λ↑→α↑；CP↑→α↑；ρ↑→α↑；μ↑→Re↓→α↓ 易知这些物理性质不仅随着物质种类变化，而且也随着温度、 压力而变化。
将各个物理量的单位代入上式得：
M 3T 1 K [ L 1 ]a [ L]b [ ML1 1 ]c [ ML 3T 1 ]d [ ML3 ]e [ L2 2T 1 ] f
根据因次一致性原理，等式两边各基本单位的指数对应相 等，则得到四个方程，而其中有6个未知数，需指定其中两个 (如a，f)为已知，求出其余4个得：
t t R 加热 反之，被冷却时恰好相反。
由此知它们涉及到四个基本因次，即长度L、质量M、时间 θ和温度T。按前面介绍的π定理，过程的无因次数群的数目N N nm 74 3
4.3.4 对流传热的因次分析
1.无相变时的强制对流传热过程 将式(4-18)改写成幂函数的形式：
f Ku al b c d e cP
据有效膜模型，对流传热可以用热传导的方式处理。若热流 体向壁面作一维稳定传热，则传热速率由傅立叶定律得：
t dt Q A A n dx Q A (T TW )
Q——对流传热速率，W；
A——传热面积，m2； T——热流体侧主体的平均温度，℃； TW——与热流体相接触一侧的壁面温度，℃； δ——有效膜厚度，m2。
f ( , , c p , , gt , l )
式中7个物理量涉及4个基本单位，所以有3个无因次准数。其推 导过程同上，得： 3 2
对流传热
4.3对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。
实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。
4.3.1对流传热过程分析流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。
由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的状况有关。
在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有层流和湍流。
层流流动时，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况。
流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。
层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。
导热为主，热阻大，温差大。
湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。
质点相互混合交换热量，温差小。
过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。
质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。
根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。
所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。
如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。
4.3.2 对流传热速率方程对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。
如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。
温度差主要集中在层流底层中。
假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。
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4.3对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。
实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。
4.3.1对流传热过程分析流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。
由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的状况有关。
在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有层流和湍流。
层流流动时，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况。
流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。
层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。
导热为主，热阻大，温差大。
湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。
质点相互混合交换热量，温差小。
过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。
质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。
根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。
所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。
如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。
4.3.2 对流传热速率方程对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。
如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。
温度差主要集中在层流底层中。
假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。
该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。
由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。
建立膜模型：δδδ=+t e式中 δt ──总有效膜厚度；δe ──湍流区虚拟膜厚度；δ──层流底层膜厚度。
使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：流体被加热：Q A t t t=-λδ()w 流体被冷却：Q A T T t =''-λδ()w 设αλδ=t，对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述： 流体被加热：Q A t t =-α()w流体被冷却：)(w T T A Q -'='α式中 Q’,Q ──对流传热速率，W ；α’,α──对流传热系数，W/(m 2·℃)；T w t w ──壁温，℃；T ,t ──流体（平均）温度，℃；A ──对流传热面积，m 2。
牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律，假设Q ∝∆t 。
热阻推动力＝=∆=--=R t At t t t A Q w w αα1)( ↑↑∆Q A t α一定时，和 对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了α当中──复杂问题简单化表示。
4.3.3影响对流传热系数的因素对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。
1.引起流动的原因自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u 较小，α也较小。
强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u 较大，故α较大。
自强αα>2.流体的物性当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响α较大的物性有：ρ，μ，λ，c p 。
λ的影响：λ↑α↑；ρ的影响：ρ↑Re ↑α↑；c p 的影响：c p ↑ρc p 单位体积流体的热容量大，则α较大；的影响: μ ↑Re ↓α↓3.流动型态层流：热流主要依靠热传导的方式传热。
由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
湍流：质点充分混合且层流底层变薄，α较大。
↓↓↑αδ,Re ；但Re ↑动力消耗大。
层湍αα>4.传热面的形状、大小和位置不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使α增大。
（1）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；（3）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L 来表示其大小。
5.是否发生相变主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。
发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r 远大于c p ）。
一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。
无相变相变αα>4.3.4对流传热系数经验关联式的建立由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂简单表示，把复杂问题转到计算对流传热系数上面。
所以，对流传热系数大小的确定成为了一个复杂问题，其影响因素非常多。
目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。
一、因次分析由上面的分析：α＝f(u ，l ，μ，λ，c p ，ρ，g β∆t)式中 l ———特性尺寸；u ———特征流速。
基本因次，共4个，长度L ，时间T ，质量M ，温度θ变量总数：共8个因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由π定理8-4=4）因次分析结果如下：gk a C G r Pr Re Nu = λαl Nu =Nusselt （努塞尔）待定准数（包含对流传热系数） μρdu =Re Reynolds （雷诺）表征流体流动型态对对流传热的影响。
λμp c =Pr Prandtl （普兰特）反映流体物性对对流传热的影响223μρβtl g Gr ∆= Grashof （格拉斯霍夫）表征自然对流对对流传热的影响g k p a tl g c du C l )()()(223μρβλμμρλα∆= （1）定性温度由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。
定性温度的取法：1）流体进出口温度的平均值t m =（t 2+t 1）/2；2）膜温t=（t m +t W ）/2。
（2）特性尺寸它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。
另外，实验范围是有限的，准数关联式的使用范围也就是有限的。
液体沸腾蒸汽冷凝有相变）圆非圆管直弯管管内外（形状过渡流湍流层流强制对流自然对流无相变的关联式α4.3.5无相变时对流传热系数的经验关联式一、流体在管内的强制对流1．圆形直管内的湍流k Nu Pr Re 023.08.0=k p c du d )()(023.08.0λμμρλα= 使用范围：Re>10000，0.7<Pr<160，μ<2×10-5Pa.s ，l/d>50注意事项：（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值t m ；（2）特征尺寸为管内径d i ；（3）流体被加热时，k ＝0.4，流体被冷却时，k ＝0.3；上述n 取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。
当管内流体被加热时，靠近管壁处层流底层的温度高于流体主体温度；而流体被冷却时，情况正好相反。
对于液体，其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温度升高也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。
液体被加热时的对流传热系数必大于冷却时的对流传热系数。
大多数液体的Pr>1,即Pr 0.4>Pr 0.3。
因此，液体被加热时，n 取0.4；冷却时，n 取0.3。
对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。
气体被加热时的对流传热系数必小于冷却时的对流传热系数。
由于大多数气体的Pr<1，即Pr 0.4<Pr 0.3，故同液体一样，气体被加热时n 取0.4，冷却时n 取0.3。
通过以上分析可知，温度对近处层流底层内流粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。
（4）特征速度为管内平均流速。
以下是对上面的公式进行修正：a ．高粘度14.033.08.0)()()(027.0wp c du d μμλμμρλα= 要考虑壁面温度变化引起粘度变化对α的影响（μ是在t m 下；而μW 是在t w 下）。
在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为： 对于液体，加热时：05.1)(14.0=wμμ，冷却时：95.0)(14.0=w μμ b ．过渡区2300<Re<10000时，先按湍流计算α，然后乘以校正系数1Re 1060.18.05<⨯-=f过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re 小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，α减小。
c ．流体在弯管中的对流传热系数先按直管计算，然后乘以校正系数f)77.11(Rd f += 式中 d ──管径；R ──弯管的曲率半径。
由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，α增大。
d ．非圆形直管内强制对流采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。
k p e c u d d )()(023.08.0e λμμρλα= 式中 II4A 4d e =⨯=润湿周边流动截面积 此为近似计算，最好采用经验公式和专用式更为准确。
套管环隙：2)12(318.002.0d d r P e R e d λα= 式中 d 1、d 2——分别为套管外管内径或内管外径。
适用范围：d 1/d 2=1.65～17，54102.2~101.2Re ⨯⨯=。
e ．当l/d<60时则为短管，由于管入口扰动增大，α较大，乘上校正系数f 。
117.0>⎪⎭⎫ ⎝⎛+=l d f2．圆形直管内的层流特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。
2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。
3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。
（1）Gr<25000时，自然对流影响小可忽略14.03/1)()Pr (Re 86.1wl d Nu μμ= 适用范围：Re<2300，10)Pr (Re >ld ，l/d>60 定性温度、特征尺寸取法与前相同，μw 按壁温确定，工程上可近似处理为： 对于液体，加热时：05.1)(14.0=wμμ，冷却时：95.0)(14.0=w μμ （2）Gr>25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数)01501(8031/Gr ..f += 在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。