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。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 A

t 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：g

k a C G r Pr Re Nu = λ

αl 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。 λμ

p c =Pr Prandtl （普兰特）反映流体物性对对流传热的影响

2

2

3μρβtl g Gr ∆= Grashof （格拉斯霍夫）表征自然对流对对流传热的影响