对流换热 ppt课件
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换热系数大自然对流课件
换热系数的计算方法
经验公式法
根据实验数据和经验，总结出换热系 数的计算公式，适用于特定条件下的 传热过程。
数值模拟法
通过建立数学模型和数值求解方法， 计算出物体间的换热系数，适用于复 杂结构和非线性传热过程。
换热系数的影响因素
流体性质
流体的物理性质如粘度、导热 系数和比热容等，对换热系数
有显著影响。
总结词
应对气候变化的自然对流措施
总结词
自然对流在气候预测中的作用
详细描述
针对气候变化对自然对流的影响，可以采取相应的措施来 减缓其不利影响，如加强环境保护、推广可再生能源等。
生态系统案例
总结词
湿地生态系统中的自然对流特征
详细描述
湿地生态系统中的自然对流具有独特的特征和规律，如湿 地中的水体流动、气体交换等。了解这些特征有助于深入 探究湿地生态系统的功能和机制。
温度差
物体间的温度差是换热过程的 驱动力，温度差越大，换热系 数越大。
表面状况
物体的表面状况如粗糙度、清 洁度和润湿程度等，能够影响 换热系数的大小。
流动状态
流体的流动状态如层流或湍流 ，对换热系数有较大影响，湍 流状态下的换热系数通常较大
。
02
大自然对流现象
对流现象的定义与分类
定义
对流是指流体内部由于温度、密度等物理性质的不均匀分布引起的宏观运动。
换热系数大自然对 流课件
目 录
• 换热系数概述 • 大自然对流现象 • 换热系数与大自然对流的关系 • 换热系数在大自然对流中的应用 • 案例分析
01
换热系数概述
定义与意义
定义
换热系数是指在单位时间内，单 位面积上所传递的热量与对应的 温度差之间的比值，用于描述物 体间的热量传递速率。
传热学第56章对流换热
1、概述
要求解对流换热需得到速度场和温度场
假设： a) 流体为连续性介质
b) 流体为不可压缩的牛顿流体 c) 所有物性参数（、c、、μ）为常量 d) 忽略粘性力作功（即忽略粘性耗散产生的耗散热）
对于牛顿流体： u
y
4个未知量：速度 u、v ；温度 t ；压力 p
需要4个方程：连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3)
在贴壁处流速滞止，处于无滑移状态 （即：y=0, u=0），形成一极薄的不 运动的贴壁流体层。
在这一极薄的贴壁流体层中，热量只 能以导热方式传递
根据傅里叶定律：
qw
t
y
y0
W m2
流体的热导率 W (mC)
t y y0 — 在坐标(x,0)处流体的温度梯度
2020/4/28 - 10 -
(V) 0
2020/4/28 - 15 -
第5章 对流换热——§5-2 对流换热问题的数学描述
Euler法（控制体微元）：
(1) x、y、z方向流入的净流量：
udydz u u dxdydz u dxdydz
x
x
vdxdz
v
v y
dy
dxdz
v y
dxdydz
wdxdy w w dxdxdy w dxdydz
2020/4/28 - 5 -
第5章 对流换热——§5-1 对流换热概述
(3) 流体有无相变
单相换热 （Single phase heat transfer） ：
显热的变化
相变换热(Phase change)：凝结(Condensation)、 沸腾(Boiling)、
升华(sublimation)、 凝固(coagulation)、 融化(thaw)
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】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】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
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
成的液体内部环流，一般u较小，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，故较大。因此：
自然对流换热.pptx
Pr 1
3
H
1
9
适用范围： Gr 2.9105 ~ 1.6107
H 11~ 42
（6-46a） （6-46b）
（2）水平空气夹层（常壁温）
Nu 0.212Gr Pr 1 4
适用范围： Gr 1104 ~ 4.6105
Nu 0.061Gr Pr 1 3
适用范围： Gr 4.6105 与 H 无关
自然对流换热.pptx
自然对流传热则是流体与固体壁面之间因温度不 同引起的自然对流时发生的热量交换过程。
（1）竖板（竖管） （3）水平板 （2）水平管 （4）竖直夹层 （5）横圆管内侧
在自然界、现实生活、工程上，物体的自然 冷却或加热都是以自然对流传热的方式实现 的。
一、自然对流传热现象的特点 以竖直平板在空气中自然冷却过程进行分析。
h 志在成功，你才能成功。
Nu 这种流体速度变化的区域相对于流体沿着平板上升方向（图中的x方向）的尺度是很薄的，因而可以称之为自然对流的速度边界层。
用式（6-37）式中C、n查表6-10
（强制对流or自然对流？圆管or平板？管内or管外？横掠or纵掠？）
特征长度： 在偏近热壁处速度有一个峰值
在自然界、现实生活、工程上，物体的自然冷却或加热都是以自然对流传热的方式实现的。
之为自然对流的速度边界层。
与速度边界层同时存在 tw 的还有温度发生显著变
化的薄层，也就是温度 x
从tw逐步变化到环境温 度t∞热边界层。
0
边界层速度分布曲线 边界层温度分布曲线
t∞
y
热边界层的厚度也是随着流动方向上尺寸(x) 的增大而逐渐增大，因而竖直平板的换热性 能也就会从平板底部开始随着x的增大而逐渐 减弱。
02-热对流-PPT
热对流对流换热◆热对流(heat convection) 与对流换热由于流体的宏观运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。
自然界不存在单一的热对流流体中的分子同时在进行着不规则热运动，产生导热→热对流必然同时伴随热传导对流换热：流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递过程。
ut ∞t wΦA热对流◆对流换热的特点(1)热传导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；也必须有温差。
流动的特点：贴壁处流体被滞止，处于无滑移状态热量传递：离开壁面----热对流q w热量传递：壁面与流体间----热传导常见的对流换热现象强迫对流换热过程热空气轻而上升，冷空气流来补充，形成对流密度差→自然对流换热过程流动的成因对流换热◆对流换热公式，1701年，牛顿冷却公式2() w f q A h t t W m ⎡⎤=Φ=−⎣⎦() w f ΦAh t t =−h ,表面传热系数(Convective heat transfer coefficient)A ,与流体接触的壁面面积t w ，固体壁表面温度t f ，流体温度2W (m )K ⎡⎤⋅⎣⎦1w ft t Ah−Φ=w ft t >Φt wt fhR 1h R Ah=对流换热热阻[K/W]对流换热热阻网络热对流◆h ,表面传热系数，对流换热系数()w f Φh A t t =−[]K)(m W 2⋅当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量h: 表征对流换热过程强弱的物理量影响h 因素：➢流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）➢流动的形态（层流、湍流）➢流动的成因（自然对流或强迫对流）➢物体表面的形状和尺寸➢换热时流体有无相变（沸腾或凝结）等。
研究对流换热的基本任务:用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。
精品课件- 对流换热原理及其应用
X方向热对流带入微元体的焓
H x cputdy
X方向热对流带出微元体的焓
Hxdx
Hx
H x x
dx
Hx
cput
x
dxdy
cp 是常量，提到微分号外边，变为
ut
H xdx H x cp x dxdy
X方向热对流引起的净热量
ut
H x H xdx cp x dxdy
y方向热对流引起的净热量
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式 传递
根据傅里叶定律：
q t
y
y=0
t y y0 为贴壁处壁面法线方向上的流体 温度变化率为流体的导热系数
将牛顿冷却公式与上式联立，即可得 到对流换热过程微分方程式
h t
t y y0
h 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流
体的温度梯度
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动 状况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、 表面粗糙度等 温度场取决于流场
单相 对流 换热
自然对流 混合对流 强制对流
大空间自然对流
层流 紊流
有限空间自然对流 层流
紊流
管内强制对流换热 流体横掠管外强制对流换热 流体纵掠平板强制对流换热
7 对流换热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，
在 贴 壁 处 被 滞 止 ， 处 于 无 滑 移 状 态 （ 即 ： y=0, u=0）
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
（ y 向）的速度分布，如上图所示。在
处，y 0 u ；0此后随 ，y 。 经u 过 一
个薄层后 接近主u流速度。
3. 定义 这一薄层称为流动边界层（速度边 界层），通常规定：u 0.9（9u主 流速度）处 的距离 为y流动边界层厚度，记为 。
传热学对流换热ppt课件
总结词
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
对流换热PPT
流动边界层的厚度与流速、流体的运动粘度 和离平板前缘的距离x的关系
δcm
平板长度l (cm) 空气沿平板流动时边界层增厚的情况
x,空气速度 u 10m / s :
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
由牛顿粘性定律： u
y 速度梯度越大，粘滞应力越大。
边界层外： u在y方向无变化，
边界层过度的距离：
xc
临界雷诺数： Rec
惯性力 Rec 粘性力
u xc u xc
v
紊流边界层：
平板：Rec 2 105 ~ 3106; 取Rec 5105
为何是一个范围？
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一层薄层仍然会保 持层流特征，具有最大的速度梯度。
流动边界层的几个重要特征：
也必须有温差 （3）由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴
壁面处会形成速度梯度很大的流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t w
q t W/m2
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t = t w t f
t
与t
层流：温度呈抛物线分布 紊流：温度呈幂函数分布
紊流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流
故：紊流换热 比Ty层流w,t换热 强Ty。w,L
层流靠流体导热换热，紊流依靠流 体微团脉动对流换热
与度
的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量和热
t
扩散的深
t
Pr
1 3
层流：0.6
Pr
50
壁面加热流体时热边界层的形成和发展
对流换热ppt 精品
Page 10
4、对流换热的分类
Page 11
二、对流换热计算公式----牛顿公式
tw t f t aAt 1 R A tw t f t 或 q a t 1 r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流 换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
2) 设备的散热等。
Page 7
换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
Page 8
3、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；也必须有 温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层。
t — 热边界层厚度 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和 边界层内的温度分布 Page 18
（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量；
层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变 化；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热， 换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导 热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
主流区
uf
y uf
uf
边界层界限
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
Page 15
层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。 边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。 边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。 层内速度梯度很大。
4、对流换热的分类
Page 11
二、对流换热计算公式----牛顿公式
tw t f t aAt 1 R A tw t f t 或 q a t 1 r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流 换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
2) 设备的散热等。
Page 7
换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
Page 8
3、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；也必须有 温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层。
t — 热边界层厚度 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和 边界层内的温度分布 Page 18
（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量；
层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变 化；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热， 换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导 热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
主流区
uf
y uf
uf
边界层界限
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
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层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。 边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。 边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。 层内速度梯度很大。
材料科学工程课件23对流换热
1 竖板 2 水平管 3 水平板 4 竖直夹板
No Image
传热学
3.4.1 无限空间中的自然对流换热
1） 换热过程分析
No Image
传热学
2） 自然对流换热准则l3
2
物理意义：反映了 流体温差引起的浮 升力导致的自然对 流流场中的流体惯 性力与其粘性力的 对比关系。
No Image
传热学
4） 相似原理的应用
（1）相似原理的重要应用：
相似原理在传热学中的一个重要的应用是 指导试验的安排及试验数据的整理。
相似原理的另一个重要应用是指导模化试 验。所谓模化试验，是指用不同于实物几何尺 度的模型（在大多数情况下是缩小的模型）来 研究实际装置中所进行的物理过程的试验。
ddyuuyuxuxyuyuyyuzuzy fy1 p y2uy ddzuuz uxuxz uyuyz uzuzz fz1 p z2uz
No Image
传热学
热现象 （3）不可压缩、常物性、无内热源 时, 能量守恒定律:
准数方程的简化
K f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo、Nu）=0 Nu =f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo） K 流体运动方程：Eu =f（Re、Ho、Fr）
K Pe =Re.Pr
K 稳定速度场、稳定温度场： Ho、 Fo K 准数方程的一般形式：Nu =f（Re、Fr、Pr）
自由流动主要是由温差引起 Nu =f（Re、Gr、Pr） K 自然对流：Nu =f（Gr、Pr） 相同流体： Nu =f（Gr） K 强制对流：Nu =f（Re、Pr） 相同流体： Nu =f（Re）
传热学
第三节 对流换热计算
3.1 对流换热基本定律 3.2 对流换热微分方程 3.3 对流换热问题的数学描述 3.4 自然对流换热 3.5 流体强制对流时的对流换热
传热学-对流换热PPT课件
传热学-对流换热
对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 自然界中的种种对流现象 电子器件冷却 强制对流与自然对流
沸腾换热原理 空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
➢ 热对流（Convection）
流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑（自然对流换热增强）→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度， 从而影响对流换热系数。
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
五、 流体有无相变（流体相变）：
单相换热 Single phase heat transfer： 相变换热 Phase change：
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多， 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层（贴壁流体层）
流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加） 而减薄。
湍流核心
层流底层
二、边界层
（一）速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时，
由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响，壁面附近的流体速度 会减小，即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 自然界中的种种对流现象 电子器件冷却 强制对流与自然对流
沸腾换热原理 空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
➢ 热对流（Convection）
流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于 发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑（自然对流换热增强）→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度， 从而影响对流换热系数。
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
五、 流体有无相变（流体相变）：
单相换热 Single phase heat transfer： 相变换热 Phase change：
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多， 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层（贴壁流体层）
流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加） 而减薄。
湍流核心
层流底层
二、边界层
（一）速度(流动)边界层
1、速度边界层的形成原因 粘性流体流过固体壁面时，
由于流体与壁面之间摩擦阻力 的影响，壁面附近的流体速度 会减小，即从来流速度减小到 壁面的零速度。 2、速度边界层图，见右图。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
传热学课件第六章--单相流体对流换热
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
1.进口段与充分发展段 2>.对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有： t t t r r R w t t t t r w f w f
由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次 温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶 定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上 t 式变为： t t r r R h Const w tw t f r tw t f
另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律 与边界条件有关。
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
2.定性参数 2>.管内流体平均温度 ①常热流通量边界条件： t tw// tw/
tf /
进口段 充分发展段
tf// x
如图，此时：tw>tf 经分析：充分发展段后： tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时，管内流体的平均温度为： t f t f tf 2
第三节
自 然 对 流 换 热
一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流）
指热（冷）表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。 一般准则方程式可整理成： Nu=f（Gr· Pr） 一般Gr· Pr>109时为紊流，否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热，其准则方程式常可整理成： Num=C（Gr· Pr）mn C、n可参见表6=5，注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令：Ra=Gr· Pr Ra为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式，常见的 为邱吉尔（Churchill）和朱（Chu）总结的式6-19，20。
知识点：对流换热的基本类型PPT.
对流换热的基本类型单相流体对流换热变相流体对流换热沸腾换热凝结换热综合流动换热自由流动换热无限空间自由流动换热有限空间自由流动换热流体在管内受迫流动时的换热流体在管外横向流动时的换热受迫流动换热
知识点：对流换热的基本类型
对流换热现象有许多类型，不同的类型有着不同形式的 对流换热准则方程式相对应。在进行对流换热计算时，只有 弄清对流换热的类型，才能避免选错准则方程式。对流换热 类型可按下面几个层次来分类： 首先是按对流换热过程中流体有无相变，区分出是单相 流体对流换热还是变相流体对流换热。所谓单相流体对流换 热是指流体在对流换热过程中没有相变，流体始终是液相或 是气相；而变相流体对流换热则是流体在对流换热过程中发 生了相变，如液相变成气相的沸腾换热，还有气相变成液相 的凝结换热。 其次，在单相流体对流换热中，按照流体流动产生的原 因，可分成自由流动换热、受迫流动换热和综合流动换热三
知识点：对流换热的基本类型
无限空间自由流动换热 有限空间自由流动换热
自由流动换热 对 流 换 热 的 基 本 类 型 单相流体对流换热 综合流动换热 受迫流动换热
流体在管内受迫流动时的换热 流体在管外横向流动时的换热
变相流体对流换热
沸腾换热 凝结换热
图1 对流换热换热面的相对位置或换热空间的大小可 分为不同情况的对流换热。如受迫流动换热可分为流体在管 内受迫流动时的换热和流体在管外横向流动时的换热；自由 流动换热可分为无限空间自由流动换热和有限空间自由流动 换热。 此外，上述各类对流换热还可根据流体流动的流态分成 层流、紊流和过渡流对流换热。 具体见图1。
知识点：对流换热的基本类型
对流换热现象有许多类型，不同的类型有着不同形式的 对流换热准则方程式相对应。在进行对流换热计算时，只有 弄清对流换热的类型，才能避免选错准则方程式。对流换热 类型可按下面几个层次来分类： 首先是按对流换热过程中流体有无相变，区分出是单相 流体对流换热还是变相流体对流换热。所谓单相流体对流换 热是指流体在对流换热过程中没有相变，流体始终是液相或 是气相；而变相流体对流换热则是流体在对流换热过程中发 生了相变，如液相变成气相的沸腾换热，还有气相变成液相 的凝结换热。 其次，在单相流体对流换热中，按照流体流动产生的原 因，可分成自由流动换热、受迫流动换热和综合流动换热三
知识点：对流换热的基本类型
无限空间自由流动换热 有限空间自由流动换热
自由流动换热 对 流 换 热 的 基 本 类 型 单相流体对流换热 综合流动换热 受迫流动换热
流体在管内受迫流动时的换热 流体在管外横向流动时的换热
变相流体对流换热
沸腾换热 凝结换热
图1 对流换热换热面的相对位置或换热空间的大小可 分为不同情况的对流换热。如受迫流动换热可分为流体在管 内受迫流动时的换热和流体在管外横向流动时的换热；自由 流动换热可分为无限空间自由流动换热和有限空间自由流动 换热。 此外，上述各类对流换热还可根据流体流动的流态分成 层流、紊流和过渡流对流换热。 具体见图1。
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• 研究对流换热的主要目的之一就是确定不同换热条 件下表面传热系数的具体表达式，主要方法有四种：
(1) 分析法 用数学分析的方法求解描写对流换热的数学模型(对 流换热微分方程或积分方程及其单值性条件)。
尽管分析法只能求解简单的对流换热问题，但因数 学分析方法严谨, 物理概念和逻辑推理清楚, 求解 结果以函数的形式表示, 能清楚地显示各种因素对 对流换热的影响，所以仍然是对流换热的基础内容。
1. 流体的平均温度
2. 壁面温度
tf
3.
流体与壁面t w的算术平均温度
1 2
t
w
t
(5) 换热表面的几何因素 1. 换热表面的几何形状、尺寸； 2. 相对位置 3. 表面粗糙度
等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响速度 分布和温度分布，对对流换热产生显著的影响。
• 综上所述，一般函数关系式可表示为
h f u, tw , tf , , , c, , , l,
式中 l 为换热表面的特征长度，习惯上称为定型尺寸，通常是指对换热影 响最大的尺寸，如管内流动时的管内径，横向外掠圆管时的圆管外径等；
为换热表面的几何因素，如形状、相对位置等。
3. 对流换热的主要研究方法
对于内部流动tf取流体的平均温度。
• 对于局部对流换热
qx
hx t hx tw tf x dA
如果固体表面温度均匀（等壁温边界）
t w
tf
x
tw
tf
常数
tw tf A hxdA
将该式与前式比较，可以得出固体表面温度均匀条件下平均表面传热系数与 局部表面传热系数之间的关系式:
1 v
v
t
p
1
t
p
pv RT 1 T
• 定性温度
用来确定物性参数数值的温度.
由于流体的物性参数随流体的种类、温度和压力而 变化。对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数 的数值主要随温度而变化。在分析计算对流换热时， 定性温度的取法取决于对流换热的类型，常用的有：
(2) 数值法
对流换热的数值解法应用愈来愈广泛，但由于对流换 热控制方程的复杂性，使数值解法的难度和复杂性较 大，求解结果需要验证。
(3) 实验法
1. 由于分析法的局限性及数值法的可靠性所限，相似理论指导下的实验研究仍 然是解决复杂对流换热问题的主要方法;
2. 并且随着现代测量技术的进步, 以前无法进行的对流换热微细结构和现象的 观测现在得以实现，对尚未解决的对流换热（如紊流换热、沸腾换热等）机 理的探索发挥着关键性的作用。
• 紊流时流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流 体之间迅速混合。流体紊流时的热量传递除了分子 扩散之外主要靠流体宏观的紊流脉动，因此紊流对 流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大。
(3) 流体有无相变
由于流体在沸腾和凝结换热过程中吸收或者放出汽化潜热，沸腾时 流体还受到气泡的强烈扰动，所以流体发生相变时换热的规律以及换 热强度和单相流体不同。
遵循牛顿公式 u y
e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热； f) 二维对流换热。
• 当流体流过固体表面时，在连续性假设下，由于粘性 力的作用，紧靠壁面处的流体是静止的，因此紧靠壁 面处的热量传递只能靠导热。根据导热付里叶定律，
qx
t y
y0 ,x
式中 为流体的热导率。再按照牛顿冷却公式：
h
1 A
A hxdA
如何确定表面传热系数的大小是对流换热的核心问题，也是本章所要讨论 的主要内容。
2. 对流换热的影响因素
• 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同 作用的结果。因此，凡是影响流体导热和对流的因素 都将对对流换热产生影响.
主要有以下五个方面：
(1)流动的起因
1) 强迫对流 指流体在风机、水泵或其它外部动力作用下产生的流动。
第五章 对流换热
5-1 概 述
1. 牛顿冷却公式
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，对流换热量可以用牛顿冷却公式 来计算：
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个表面的平均表面传热系数; tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf取远离壁面的流体主流温度；
(4) 流体的物理性质
对导热和对流产生影响的物性都将影响对流换热。
1. 热导率 ： 愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈；
2. 密度
3. 比热容
反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对
流c所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；
4. 动力粘度
流体的粘度影响速度分布与流态（层流还是紊流）
5. 体胀系数 理想气体
3. 由于测量精确度的提高, 实验结果也常用来检验其它方法的准确性。
(4) 比拟法
利用热量传递与动量传递在机理上的共性建立起表面 传热系数与摩擦系数之间的比拟关系式. 由比较容易进行的流体流动实验获得摩擦系数的数据， 再由比拟关系式求出表面传热系数。比拟法曾广泛用 于求解紊流对流换热问题，但近些年来由于实验法和 数值解法的发展而很少被应用。
2) 自然对流 指流体在不均匀的体积力（重力、离心力及电磁力等）的作用下产生的流动。
一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常要比强迫对流换 热弱，表面传热系数要小。
(2) 流动的状态
流体的流动有层流和紊流两种流态。
• 层流时流速缓慢，流体将分层地平行于壁面方向流 动，宏观上层与层之间互不混合，因此垂直于流动 方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。
目前，理论分析、数值计算和实验研究相结合 是科技工作者广泛采用的解决复杂对流换热问题 的主要研究方式。
5-2 对流换热的数学描述
1. 对流换热微分方程组及其单值性条件
1) 对流换热微分方程
为简化分析，做下列假设： a) 流体为连续性介质.努森数 Kn l l 10 3 b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化； c) 流体为不可压缩性流体。流速低于四分之一声速的流体. d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，
(1) 分析法 用数学分析的方法求解描写对流换热的数学模型(对 流换热微分方程或积分方程及其单值性条件)。
尽管分析法只能求解简单的对流换热问题，但因数 学分析方法严谨, 物理概念和逻辑推理清楚, 求解 结果以函数的形式表示, 能清楚地显示各种因素对 对流换热的影响，所以仍然是对流换热的基础内容。
1. 流体的平均温度
2. 壁面温度
tf
3.
流体与壁面t w的算术平均温度
1 2
t
w
t
(5) 换热表面的几何因素 1. 换热表面的几何形状、尺寸； 2. 相对位置 3. 表面粗糙度
等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响速度 分布和温度分布，对对流换热产生显著的影响。
• 综上所述，一般函数关系式可表示为
h f u, tw , tf , , , c, , , l,
式中 l 为换热表面的特征长度，习惯上称为定型尺寸，通常是指对换热影 响最大的尺寸，如管内流动时的管内径，横向外掠圆管时的圆管外径等；
为换热表面的几何因素，如形状、相对位置等。
3. 对流换热的主要研究方法
对于内部流动tf取流体的平均温度。
• 对于局部对流换热
qx
hx t hx tw tf x dA
如果固体表面温度均匀（等壁温边界）
t w
tf
x
tw
tf
常数
tw tf A hxdA
将该式与前式比较，可以得出固体表面温度均匀条件下平均表面传热系数与 局部表面传热系数之间的关系式:
1 v
v
t
p
1
t
p
pv RT 1 T
• 定性温度
用来确定物性参数数值的温度.
由于流体的物性参数随流体的种类、温度和压力而 变化。对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数 的数值主要随温度而变化。在分析计算对流换热时， 定性温度的取法取决于对流换热的类型，常用的有：
(2) 数值法
对流换热的数值解法应用愈来愈广泛，但由于对流换 热控制方程的复杂性，使数值解法的难度和复杂性较 大，求解结果需要验证。
(3) 实验法
1. 由于分析法的局限性及数值法的可靠性所限，相似理论指导下的实验研究仍 然是解决复杂对流换热问题的主要方法;
2. 并且随着现代测量技术的进步, 以前无法进行的对流换热微细结构和现象的 观测现在得以实现，对尚未解决的对流换热（如紊流换热、沸腾换热等）机 理的探索发挥着关键性的作用。
• 紊流时流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流 体之间迅速混合。流体紊流时的热量传递除了分子 扩散之外主要靠流体宏观的紊流脉动，因此紊流对 流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大。
(3) 流体有无相变
由于流体在沸腾和凝结换热过程中吸收或者放出汽化潜热，沸腾时 流体还受到气泡的强烈扰动，所以流体发生相变时换热的规律以及换 热强度和单相流体不同。
遵循牛顿公式 u y
e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热； f) 二维对流换热。
• 当流体流过固体表面时，在连续性假设下，由于粘性 力的作用，紧靠壁面处的流体是静止的，因此紧靠壁 面处的热量传递只能靠导热。根据导热付里叶定律，
qx
t y
y0 ,x
式中 为流体的热导率。再按照牛顿冷却公式：
h
1 A
A hxdA
如何确定表面传热系数的大小是对流换热的核心问题，也是本章所要讨论 的主要内容。
2. 对流换热的影响因素
• 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同 作用的结果。因此，凡是影响流体导热和对流的因素 都将对对流换热产生影响.
主要有以下五个方面：
(1)流动的起因
1) 强迫对流 指流体在风机、水泵或其它外部动力作用下产生的流动。
第五章 对流换热
5-1 概 述
1. 牛顿冷却公式
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，对流换热量可以用牛顿冷却公式 来计算：
= A h( tw－tf ) q = h( tw－tf )
h—整个表面的平均表面传热系数; tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf取远离壁面的流体主流温度；
(4) 流体的物理性质
对导热和对流产生影响的物性都将影响对流换热。
1. 热导率 ： 愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈；
2. 密度
3. 比热容
反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对
流c所转移的热量愈多，对流换热愈强烈；
4. 动力粘度
流体的粘度影响速度分布与流态（层流还是紊流）
5. 体胀系数 理想气体
3. 由于测量精确度的提高, 实验结果也常用来检验其它方法的准确性。
(4) 比拟法
利用热量传递与动量传递在机理上的共性建立起表面 传热系数与摩擦系数之间的比拟关系式. 由比较容易进行的流体流动实验获得摩擦系数的数据， 再由比拟关系式求出表面传热系数。比拟法曾广泛用 于求解紊流对流换热问题，但近些年来由于实验法和 数值解法的发展而很少被应用。
2) 自然对流 指流体在不均匀的体积力（重力、离心力及电磁力等）的作用下产生的流动。
一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常要比强迫对流换 热弱，表面传热系数要小。
(2) 流动的状态
流体的流动有层流和紊流两种流态。
• 层流时流速缓慢，流体将分层地平行于壁面方向流 动，宏观上层与层之间互不混合，因此垂直于流动 方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。
目前，理论分析、数值计算和实验研究相结合 是科技工作者广泛采用的解决复杂对流换热问题 的主要研究方式。
5-2 对流换热的数学描述
1. 对流换热微分方程组及其单值性条件
1) 对流换热微分方程
为简化分析，做下列假设： a) 流体为连续性介质.努森数 Kn l l 10 3 b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化； c) 流体为不可压缩性流体。流速低于四分之一声速的流体. d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，