第5章_对流传热的理论基础与工程计算

❖ 注意！ ❖ ——不能将流动状态和流动的起因简单地一一
对应 ❖ 事实上，层流和湍流既可能发生在强迫流动中
，也可能发生在自然对流中
❖ 传热特点 ❖ 层流－热量传递主要依靠分子扩散作用 ❖ 湍流—热量传递除了导热外，更多地依靠热对
流作用
h湍流 h层流
2 流体的热物理性质 ❖ （1）密度和比热容 ❖ 密度和比热容的乘积称为流体的体积热容，在
3 换热表面的形状、大小和位置
❖ 换热面的情况对换热强度也有不容忽视的影响 。
❖ 分析对流传热问题首先必须先区分对流换热问 题在几何特征方面的类型
❖ 分清是内部流动还是外部流动换热问题，这两 者在速度场、温度场以及换热的特征方面均有 相当显著的差异
❖ 内部流动：流体的流动是受流动空间的限制，如 管内、不规则通道内
❖ 热对流的机理 ❖ ——（1）流体分子间微观的导热作用 ❖ ——（2）流体微团间宏观的对流作用
❖ 对流传热——相对运动的流体与其温度不同的 壁面接触时，流体与壁面之间的热量传递过程
❖ 三个要素：流动着的流体、固体壁面、温差 ❖ 对流传热的计算公式为牛顿冷却定律
hA thA twtf
h A th A tf tw
❖ 20℃ ：水－0.599W/(m.K)；空气－ 0.0259W/(m.K)
❖ 从体积热容和导热系数二者来看：相同条件下 水的冷却能力必定大大强于空气
❖ 生活和工业中通常采用水作为冷却介质，夏天 游泳、冲凉，比较在水中和空气中的冷热感觉
❖ （3）粘度
❖ 流体的粘度是通过流态影响对流换热的强弱
R e ulc
hA thA twtf
❖ 表面传热系数h与导热系数λ不同，它不是一个 物性参数，而是一个过程量
❖ ——对流传热的类型不同、流体的种类、温度 不同、流速不同、壁面的形状和温度不同，表 面传热系数都是不同的
hA thA twtf
❖ 对流传热过程传热量的计算是非常简单的，但 确定h却不是一件容易的事
❖ 流速越高，流体的掺混就越强烈，对流传热就 越强
❖ 强迫对流时的速度一般高于自然对流，强迫对 流传热的表面传热系数也多半高于后者
h强制 h自然
❖ 夏天，有风吹着比没风时感觉更凉快。 ❖ 风扇的转速
❖ 流态－流动的状态 ❖ 层流（laminar flow） ❖ 湍（紊）流（turbulent flow） ❖ 过渡流（transition region） ❖ 区分流体处于何种流态的特征数为雷诺数，记
❖ 粘度越大的流体，分子间的约束力就越强，相同流速 下越不容易发展成湍流状态
❖ 高粘度的油类较多地处于层流状态，表面传热系数一 般比较小
（4）体积膨胀系数
V
1 v v T
p
1
T
p
❖ 式中，v为流体的比容，密度的倒数 ❖ 正是由于流体的密度随温度的变化才导致了自
然对流现象的发生 ❖ 体积膨胀系数主要影响自然对流传热 ❖ 与水相比，空气更容易发生自然对流
❖ ▲介质类型的影响 ❖ 工程中常见的气液两相流动的对流传热过程非
热对流中起着举足轻重的作用 ❖ 物理意义－单位体积流体携带并转移热量的能
力大小 ❖ 体积热容越大，表明单位体积流体携带并转移
热量的能力越强
❖ 水和空气冷却能力的对比 ❖ ——常温下：水的体积热容量约等于4175kJ
／(m3·℃)，空气仅为1.21 kJ／(m3·℃)，两者 差数千倍！ ❖ ——一般用水作为冷却介质
❖ 形式简单的牛顿冷却定律仅可作为表面传热系 数的定义，它把影响对流传热过程的一切复杂 因素归结到对流换热系数上
❖ 本章的目标——用理论或实验的方法具体给出 各种场合下h的计算关系式(经验半经验公式)
二 影响对流传热过程的因素
❖ 1 流动的影响—流动起因和流态 ❖ 使流体产生运动的原因： ❖ 一是通过外界施加强迫力，泵、风机对流体作
❖ 外部流动：流体的流动不受空间的限制，外掠平 板、圆管和管束
❖ 自然对流传热中：几何布置对流动传热亦有决 定性影响
❖ 如图所示的水平壁面，热面朝上时散热的流动 与热面朝下散热的流动就截然不同
4 其它因素 ❖ ▲流体相变的影响 ❖ ——无相变对流换热：热量交换依靠流体显热
的变化而实现的，流体得到或失去热量温度必 然要发生变化 ❖ ——有相变对流传热：流体相变热（潜热）的 释放或吸收起主要作用，汽化潜热要比比热容 大得多，流体温度不发生变化 ❖ 同时，相变时对流体的扰动也要剧烈的多，如 沸腾时的气泡。显然，有无相变的换热规律应 当有所不同
❖ （2）导热系数 ❖ 对流换热过程中也包含有流体导热的作用 ❖ 流体导热系数的大小会直接影响流体内部的热
量传递过程和温度分布状态 ❖ 特别是对紧贴固体壁面的那部分流体来说，导
热系数更是起着关键的作用
❖ 紧贴固体壁面的流体相对于壁面来说是静止的 ❖ 显然，导热系数越大，对流换热过程越强烈
❖ 仍以水和空气作比较，常温下水的导热系数比wk.baidu.com空气高大约二十几倍
为Re
Re ulc ulc
❖ 确定流态的实验（雷诺试验）
❖ 层流—流体只沿着与流道轴心平行的流线流动 ，或者说在轴线或沿表面方向上作规则的缓慢 分层运动，仅有非常微弱的横向（指和流速垂 直的方向）混合
❖ 湍流—流线处于不规则的状态，除了存在纵向 （流动方向）速度外，在流动截面上也存在横 向速度。流体内部存在强烈的涡旋运动，处于 充分的混合状态
第5章_对流传热的理论基础与工程计 算
❖ 作业： ❖ 习题5-1、5-5、5-8； ❖ 5-10、5-14、5-16（强迫对流） ❖ 5-21、5-22（自然对流）
§5-1 概述
❖ 一 对流传热的概念与计算
❖ 热对流——流体（气体或液体）中温度不同各 部分发生相互混合的宏观运动引起的热量传递 现象，以流体整体作为研究对象
机械功，使管道中流体的动能和静压力提高， 从而获得宏观速度。这种流动称为强迫对流（ forced convection） ❖ 又称为强制对流、受迫对流
❖ 二是由于流体中存在温度差，由此产生密度 差异从而导致浮升力引起流体的运动，称为 自然对流(natural convection)
❖ 流动成因不同，流体的速度不同，对流的剧 烈程度不同