第5章对流换热资料
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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（紊流）（Turbulent flow）
h湍流 h层流
3、流体有无相变
h单相<h相变
单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化
4、换热表面的几何因素
几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面于流体运动 方向的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。影 响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布。
➢ 流动起因：强制对流换热、自然对流换热； ➢ 流态：层流对流换热与湍流对流换热； ➢ 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； ➢ 流体在换热中是否发生相变：可分为单相流体
对流换热和相变对流换热。
对流换热分类
强制
强制 强制
强制
5.1.3 对流换热的研究方法
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的
核心问题
5.1.1 影响对流换热系数的因素 • 流体流动的起因 • 流体有无相变 • 流体的流动状态 • 换热表面的几何因素 • 流体的物理性质
5.1.1 影响对流换热系数的因素
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）
从热平衡可知，通过壁面流体层传导的热流量最 终是以对流换热的方式传递到流体中去的，于是 得到如下关系
Байду номын сангаас
q t =ht
y y=0
换热微分方程式
h t
t y y=0
换热微分方程式确定了对流换热表面传热系数与 流体温度场之间的关系。
求解一个对流换热问题，获得该问题的对流换热 系数或交换的热流量，就必须首先获得流场的温 度分布。
h (有碍流体流动、不利于 热对流)
自然对流换热增强
流体内各处温度不相等，各处的物性数值也不相同， 为处理方便起见，一般引入定性温度，将热物性作 为常数处理。
以单相强制对流换热为例
h f (u, l, ,, , cp )
5.1.2 对流换热现象的分类
对流换热：导热 + 热对流；壁面+流动
（2）比热容与密度：比热容与密度大的流体，单位体积 携带更多的热量，从而对流作用传递热量的能量高。
（3）粘度：粘度大，阻碍流体的运动，不利于热对流。 温度对粘度影响较大，对应液体，粘度随温度增加而降低， 气体相反。
h (流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 )
、c h (单位体积流体能携带更 多能量)
对流换热的定义
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
对流换热的特点
１）必须有流体的宏观运动，必须有温差； ２）对流换热既有热对流，也有热传导； ３）流体与壁面必须有直接接触； ４）没有热量形式之间的转化。
对流换热的基本计算式
5-1 对流换热概说
本节重点
1. 对流换热的概念; 2．对流换热分类； 3．对流换热的影响因素； 4．对流换热系数如何确定。
自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。 到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分。 某些方面还处在积累实验数据的阶段； 某些方面研究比较详细，但由于数学上有困难； 工程上大多数应用经验公式（实验结果）
能量微分方程式描述流体温度场—— 能量守恒
对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体的 能量平衡关系式为： 导入的净热量＋对流传递的净热量＝总能量的增量
1 2 E
5.2.2 对流换热问题完整的数学描写
（不可压缩、常物性、无内热源的二维问题）
质量守恒方程
u v 0 x y
动量守恒方程（ u
牛顿冷却公式
Φ hAt W
q ht
W m2
只是对流换热系数h的一个定义式，它并没有揭示h 与影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热 的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面 换热系数的表达式。
表面传热系数（对流换热系数）
h Φ At
W (m2 K)
h — 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。
流体与壁的相对位置
几何布置对流动的影响
5、 流体的热物理性质
导热系数 [ W (m K)]
比热容 c [ J (kg K) ]
运动粘度 v [ m2 s ] 密度 [kg m3]
动力粘度 [N s m2 ]
1
T
p
1
T
p
体胀系数 [1 K]
单位温升所引起 的体积变化率
（1）导热系数：导热系数大，流体内和流体与壁之间的 导热热阻小，换热就强，如水的导热系数比空气高20余 倍，故水的传热系数h远比空气高。
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
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定 ➢质量守恒方程 ➢动量守恒方程 ➢能量守恒方程
5-2 对流换热问题的数学描述
5.2.1 运动流体能量方程的推导
为便于分析，推导时作下列假设：
➢ 流动是二维的； ➢ 流体为不可压缩的牛顿型流体； ➢ 流体物性为常数、无内热源； ➢ 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x2
2u y 2
分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及
相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场 的分析解的方法；
实验法：求解对流换热问题的主要方法；
比拟法：通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，
以建立起来表面传热系数与阻力系数之间的相互关系；
数值法：随着计算机应用的普及和数值计算方法的发展，
对流换热过程的数值分析越来越成为一种主要的求解方法， 其结果的可信度越来越高。
5.1.4 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）
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的温度变化率； 为流体的导热系数
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（紊流）（Turbulent flow）
h湍流 h层流
3、流体有无相变
h单相<h相变
单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化
4、换热表面的几何因素
几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面于流体运动 方向的相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。影 响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布。
➢ 流动起因：强制对流换热、自然对流换热； ➢ 流态：层流对流换热与湍流对流换热； ➢ 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； ➢ 流体在换热中是否发生相变：可分为单相流体
对流换热和相变对流换热。
对流换热分类
强制
强制 强制
强制
5.1.3 对流换热的研究方法
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的
核心问题
5.1.1 影响对流换热系数的因素 • 流体流动的起因 • 流体有无相变 • 流体的流动状态 • 换热表面的几何因素 • 流体的物理性质
5.1.1 影响对流换热系数的因素
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）
从热平衡可知，通过壁面流体层传导的热流量最 终是以对流换热的方式传递到流体中去的，于是 得到如下关系
Байду номын сангаас
q t =ht
y y=0
换热微分方程式
h t
t y y=0
换热微分方程式确定了对流换热表面传热系数与 流体温度场之间的关系。
求解一个对流换热问题，获得该问题的对流换热 系数或交换的热流量，就必须首先获得流场的温 度分布。
h (有碍流体流动、不利于 热对流)
自然对流换热增强
流体内各处温度不相等，各处的物性数值也不相同， 为处理方便起见，一般引入定性温度，将热物性作 为常数处理。
以单相强制对流换热为例
h f (u, l, ,, , cp )
5.1.2 对流换热现象的分类
对流换热：导热 + 热对流；壁面+流动
（2）比热容与密度：比热容与密度大的流体，单位体积 携带更多的热量，从而对流作用传递热量的能量高。
（3）粘度：粘度大，阻碍流体的运动，不利于热对流。 温度对粘度影响较大，对应液体，粘度随温度增加而降低， 气体相反。
h (流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 )
、c h (单位体积流体能携带更 多能量)
对流换热的定义
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
对流换热的特点
１）必须有流体的宏观运动，必须有温差； ２）对流换热既有热对流，也有热传导； ３）流体与壁面必须有直接接触； ４）没有热量形式之间的转化。
对流换热的基本计算式
5-1 对流换热概说
本节重点
1. 对流换热的概念; 2．对流换热分类； 3．对流换热的影响因素； 4．对流换热系数如何确定。
自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。 到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分。 某些方面还处在积累实验数据的阶段； 某些方面研究比较详细，但由于数学上有困难； 工程上大多数应用经验公式（实验结果）
能量微分方程式描述流体温度场—— 能量守恒
对于二维不可压缩常物性流体流场而言，微元体的 能量平衡关系式为： 导入的净热量＋对流传递的净热量＝总能量的增量
1 2 E
5.2.2 对流换热问题完整的数学描写
（不可压缩、常物性、无内热源的二维问题）
质量守恒方程
u v 0 x y
动量守恒方程（ u
牛顿冷却公式
Φ hAt W
q ht
W m2
只是对流换热系数h的一个定义式，它并没有揭示h 与影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热 的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面 换热系数的表达式。
表面传热系数（对流换热系数）
h Φ At
W (m2 K)
h — 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。
流体与壁的相对位置
几何布置对流动的影响
5、 流体的热物理性质
导热系数 [ W (m K)]
比热容 c [ J (kg K) ]
运动粘度 v [ m2 s ] 密度 [kg m3]
动力粘度 [N s m2 ]
1
T
p
1
T
p
体胀系数 [1 K]
单位温升所引起 的体积变化率
（1）导热系数：导热系数大，流体内和流体与壁之间的 导热热阻小，换热就强，如水的导热系数比空气高20余 倍，故水的传热系数h远比空气高。
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
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定 ➢质量守恒方程 ➢动量守恒方程 ➢能量守恒方程
5-2 对流换热问题的数学描述
5.2.1 运动流体能量方程的推导
为便于分析，推导时作下列假设：
➢ 流动是二维的； ➢ 流体为不可压缩的牛顿型流体； ➢ 流体物性为常数、无内热源； ➢ 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x2
2u y 2
分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及
相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场 的分析解的方法；
实验法：求解对流换热问题的主要方法；
比拟法：通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，
以建立起来表面传热系数与阻力系数之间的相互关系；
数值法：随着计算机应用的普及和数值计算方法的发展，
对流换热过程的数值分析越来越成为一种主要的求解方法， 其结果的可信度越来越高。
5.1.4 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）
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的温度变化率； 为流体的导热系数