对流传热的基本概念及传热方程讲解

q导
T y
|y0
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而 q导 应该等于(9-2)式中的 q，即：
q导Ty|y0h(TTs)
从而得到(9-3)公式：
hTy|y0 (TTs)
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9.2 、热量传输方程 －傅立叶-克希荷夫导热微分方程
本节将用微元体法导出含有对流条件下的流体中的 热量传出方程。 做下列假设： 1) 没有内热源（如化学反应热效应）产生 2) 流体流速不高，由粘性引起的耗散热可忽
对流传热的基本概念 及传热方程讲解
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一、特点(Features)
对流传热是研究有流体（气、液及其混合物）存在 的传热物质体系中，通过流体的流动（质量团的宏 观迁移）产生的热量传热现象及热量传输速率和温 度分布的定量分析。
在工程中常见到的也是具有重要的工程意义的对流 传热情况就是某种流动流体与固体壁之间的界面对 换热。
适当流速。
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2、流体的物性量 λ↑，热阻 δ / λ 小↓，h↑ h水= 20h空气 ρc↑载热能力强，热交换强，h↑ η↑滞止作用大，δc厚 ，减弱对流，h↓ 需要综合考虑：如水，粘性大，但ρc、λ也大。因
此比空气（粘性小）的换热系数大的多。
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3、壁面几何尺寸、形状、位置： 垂直放置h↑，水平放置h↓（顺流动方向放
下降，随流动 x 增加，温度影响层增大，δ(x)增大。
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温度边界层的厚度 δ T 是如下定义的: 当流体（其温度分布不均匀）温度为整体温度 T∞ 的99% 时，即： T (x, y, z) = 0.99T∞时所对应的距离平板的高度(δ T =y)，定义为温度 边界层厚度。
由于随着流体沿平板的流动距离 x 增加，流体与平板接触时间加 长，增加了流体与平板之间的传热量。所以受平板较低温度的影 响范围增加。即δT(x)随 x 增加，从而δT 增加。
q = h (T∞ - Ts)
(9-2)
式中： q—对流换热热流密度（通量：W/㎡）
h—对流换热系数（W/㎡·℃） T∞，Ts—流体和固体表面温度（℃）
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换热系数h 的影响因素
Factors Influencing Heat Transfer Coefficient
1、流体的流速ω: 流速↑层流底尽δc变薄，热阻变小，导热增强，h↑ ω↑流体内部相对运动加剧，h↑ 在强制对流时，加强流速，耗更多能量。应选取
略 3) 流体的物性参数λ、Cp、ρ等不随温度和压
力而变
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( ρVyH )y+ y
( ρVzH )z+ z
( ρVxH )x
( ρVxH )x+ x
( ρVzH )z ( ρVyH )y
图9-6 进出微元体的热能
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根据能量守恒 [热量收入]－［热量支出］＝［热焓变化］
1). x 方向的由传导引起的热量输入： y ·z ·t qx
q
T y
|y0
q = h (Tf - Ts)
hTy|y0 (TTs)
式中：λ－流体导热系数，
Ty－固体壁附近的的流体温度分布 。 上式是根据粘性流动流体在固相表面上的状态导出的 。
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由于流体的粘性η≠0，在固相表面总存在一薄层流 体相对固体静止，这样流体与固相壁之间的传热热 流量q，毕竟要通过这层相对静止的流体，而且是通 过导热方式进行。由傅立叶定律
(9－2)是计算某一对流换热条件下，传热热通量 q 的基本计算式。可 见(9－2)式的数学形式是十分简单的，但通过前面对固体壁与流动流体 对流换热机理方面分析知道，这一过程是十分复杂的 ： 固相中的导热 流体中的导热 流体的流动强度和流动状态 固体表面几何状况
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因此，尽管(9-2)式的数学形式简单，但把复杂的影响
因素都归结r 到对流换热系数 h 中，即： h = f（v ，流动状态, λs, λ,η,ρ,cp,界面条件等）
通常影响 h 的因素是十分复杂的。但另一方面，要想 应用(9-2)式准确计算 q ，又需要知道某具体对流传热 条件下的 h 的精确值。
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解决这一问题的办法就是针对某一具体对流换热条件下，分析计 算或测出靠近固相壁附近的温度场 T(y)，基于下式计算出对流换 热系数 h：
因此，工程上根据引起流体流动的原因或流动驱动力不同，通常将 流动流体与固体器壁之间的对流换热分为强制对流换热和自然对流 换热 。
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强制对流换热(Heat Transfer with Forced Convection)：
流动靠外力，如水泵、风机等来驱动 特点：流动速度大、常常是紊流→对流换热能力强、h↑
置）
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二、热边界层概念
Thermal Boundary Layer
如图所示：
当紊流整体速度为V∞的流体流过一平板时，除产生一速度边 界层δ(x)外，类似的：当紊流流体温度T∞ 与平板表面温度Ts 不相等时，由于传热还会产生温度边界层δ T(x) 。
解释：紊流温度 T(x)> Ts ，接平板后，接触平板处，传热T
可见为确定δT(x)和 h。均需要知道沿平板流动流体中的温度分布T (x, y)。（稳态的）
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将热边界层三个区间简化成一层流区和一紊流区，在 层流底层只有导热。故：
Q (Ts T)A T`
Qh(TsT)ABiblioteka h` T（
` T
有效热边界层厚度）
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三、对流换热系数h的数学计算式 Calculation of Heat Transfer Coefficient
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我们在绪言中已讲到流体与流体器壁之间的对流换热与许多因素有 关，除了与固体和流体的自身的导热能力等因素之外，更重要的还 与固体器壁前沿流体的流动强度（速度大小）和流动方式（流动方 向、涡流密度，尤其是层流还是紊流）密切相关。而决定或者说影 响固体器壁面前沿流体流动强度和流动状态在很大程度上取决于引 起流体流动的原因或驱动力。
自然对流换热(Heat Transfer with Natural Convection) ： 由于温度／浓度分布不均匀→ρ(T, CL )不均匀，在重力场下，
会上浮或下沉→流动 特点：流动强度直接与 әT/әn, әc/әn有关，一般强度不大，通常 为层流，对流换热相对弱些，h↓
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无论是强制对流换热，还是自然对流换热，流动流体与固体壁之 间的对流换热强度，均由牛顿换热来计算，即：