§6-4 自然对流换热解析
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自然对流
t t t w t
u0——任意选择的参考速度
U U gtl 1 2U U V 2 X Y u0 Re Y 2 hx x U V Nu x ( ) w, x 0 Y X Y
1 2 U V X Y Re0 Pr Y 2
u u 2u u v g (t t ) 2 y y x
பைடு நூலகம்
u u 2u u v g (t t ) 2 y y x
无量纲温度：
其他无量纲：
x y u v X ;Y ; U ; V l l u0 u0
2 gtl Gr 2 u0l 2 u 02 Re 0 ( ) gtl 3 Gr 格拉晓夫数(Grashof number) 2 Gr：浮升力与粘性力的相对大小。Gr越大，浮升力的相对作 用越大，自然对流越强 U U Gr 1 2U U V 2 X Y Re Re Y 2
6.3 自然对流
Natural Convection Heat Transfer
一、概述
静止的流体，与不同温度的 固体壁面相接触，热边界层 内、外的密度差形成浮升力 （或沉降力）
f B ( f ) g gt
导致流动
固体壁面与流体的温差是 自然对流的根本原因
层流：GrPr<108 湍流：GrPr>1010 过渡区： 108<GrPr<1010 自模化现象： 在常壁温或常热流边 界条件下，达到旺盛 紊流时，hx将保持不 变，与壁面高度无关
3 2 Pr Nu x 4 5(1 2 Pr1/ 2 2 Pr) hx x
1/ 4
(Grx Pr)1/ 4
传热学第六章对流换热
6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体
u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界
6.5自 然 对 流 换 热解析
2 u0l a U V 2 X Y Y
1 U V 2 X Y Re Pr Y
2
u u u u v g v t t 2 x y y
2 g tl U U 1 U v U V 2 2 X Y Re u0 Y
u0 gv tl
2
Gr称为格拉晓夫数，在物理上，Gr数
是浮升力/粘滞力比值的一种量度。
g v tl Re 2
3
3
动量守恒方程
u u dp 2u u x v y Fx dx y 2
Fx g
薄层外，u=v=0，
dp g dx
2
u u g u u v 2 x y y
2
2 u u u U U U 0 0 0 u0 U u0 V g v t 2 2 l X l Y l Y
u0 l
2
2 U u U U 0 U X V Y g v t l 2 2 Y
自然对流边界层内速度剖 面呈单驼峰形状。
波尔豪森分析解与施密特－贝克曼实测结果
竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比
自然对流换热问题描述
1 质量守恒方程
u v 0 x y
2
能量守恒方程
t t t u v a 2 x y y
2
2 u u dp u u x v y Fx dx y 2
（大空间的相对性）
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-自然对流传热
18
讨论题
强制对流平板边界层与竖板 自然对流边界层的相同点与不 同点是什么？
19
大空间自然对流传热的实验关联式
Nu cGrPrn cRan tm ts ta / 2
流态
c
n
Gr适用范围
竖平板 竖圆柱
横圆柱
层流 过渡流
湍流 层流 过渡流 湍流
0.59 0.0292
0.11 0.48 0.0445 0.1
求得温度分布后可进一步求壁面热流 和努谢尔数
qx t
y
'0ts ta 'y
y0
'
0ts
ta
1 x
4
Grx 4
qx
ts ta
x
hxx
Nu x
15
解的讨论
Pr t
竖板壁面温度梯度上升
Pr f ' 壁面处的速度梯度减小
Pr>1时， / t随Pr的增加而增加 Pr<1时， / t~1，几乎不随Pr的减小而变化
25
壁面为等热流条件的准则关系式
Nux 0.60 Gr* Pr 1/5
Gr* GrNu g ql4 2
105 Gr* 1011
• 等热流条件下需要求的是壁面温度， 要求出壁温，须先假定一个壁温，而 后试算，并采用迭代法求出。
26
水平平板（等热流）准则关系式
Nu B Gr* Pr m
B
m Gr*适用范围
1.076 1/6 0.747 1/6
6.37105 ~1.12 108
27
有限空间自然对流传热的实验关联式
28
竖直空气夹层
Nu
0.197 Gr
Pr 1/4
讨论题
强制对流平板边界层与竖板 自然对流边界层的相同点与不 同点是什么？
19
大空间自然对流传热的实验关联式
Nu cGrPrn cRan tm ts ta / 2
流态
c
n
Gr适用范围
竖平板 竖圆柱
横圆柱
层流 过渡流
湍流 层流 过渡流 湍流
0.59 0.0292
0.11 0.48 0.0445 0.1
求得温度分布后可进一步求壁面热流 和努谢尔数
qx t
y
'0ts ta 'y
y0
'
0ts
ta
1 x
4
Grx 4
qx
ts ta
x
hxx
Nu x
15
解的讨论
Pr t
竖板壁面温度梯度上升
Pr f ' 壁面处的速度梯度减小
Pr>1时， / t随Pr的增加而增加 Pr<1时， / t~1，几乎不随Pr的减小而变化
25
壁面为等热流条件的准则关系式
Nux 0.60 Gr* Pr 1/5
Gr* GrNu g ql4 2
105 Gr* 1011
• 等热流条件下需要求的是壁面温度， 要求出壁温，须先假定一个壁温，而 后试算，并采用迭代法求出。
26
水平平板（等热流）准则关系式
Nu B Gr* Pr m
B
m Gr*适用范围
1.076 1/6 0.747 1/6
6.37105 ~1.12 108
27
有限空间自然对流传热的实验关联式
28
竖直空气夹层
Nu
0.197 Gr
Pr 1/4
自然对流换热
所谓大空间，实际上只要边界层不受干扰就可以适用，不必拘泥于几何形式上的很大或无限大。
影响因素
影响因素
由于流体内部温度差引起密度不同而形成浮升力，在此浮升力引发的运动下所产生的换热过程，又称自由运 动换热。热力管道、热力设备、锅炉炉体等与周围空气之间的换热都是自然对流换热。它的强度取决于流体沿固 体换热表面的流动状态及其发展情况，而这些又与流体流动的空间和换热表面的形状、尺寸、表面与流体之间的 温差、流体的种类与物性参数等许多因素有关，是一个受众多因素影响的复杂过程。
自然对流换热
自然对流
01 简介
03 影响因素
目录
02 分类 04 求解方法
基本信息
自然对流换热，亦称“自由对流换热”，简称“自然对流”、“自由对流”。是指不依靠泵或风机等外力推 动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。
参与换热的流体由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场或其他力场中产生浮升力所引起的对流 换热现象。
谢谢观看
分类
分类
自然对流换热分为大空间自然对流换热和有限空间自然对流换热两类。流体在大空间作自然对流时，流体的 冷却过程与加热过程互不影响。这类问题比较简单，但总结出的关联式却具有很大的实用意义，它可以应用到比 形式上的大空间更广的范围。因为在许多实际问题中，虽然空间不大，但热边界层并不相互于扰，因而可以应用 大空间自然对流换热的规律计算。换句话说，就是可以把它当作大空间问题来处理。
简介
简介
图1自然对流亦有层流和湍流之分。以贴近一块热竖壁的自然对流为例来作分析，其自下而上的流动景象 图1所示。
在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍流。
不同的流动状态对换热具有决定性影响。
影响因素
影响因素
由于流体内部温度差引起密度不同而形成浮升力，在此浮升力引发的运动下所产生的换热过程，又称自由运 动换热。热力管道、热力设备、锅炉炉体等与周围空气之间的换热都是自然对流换热。它的强度取决于流体沿固 体换热表面的流动状态及其发展情况，而这些又与流体流动的空间和换热表面的形状、尺寸、表面与流体之间的 温差、流体的种类与物性参数等许多因素有关，是一个受众多因素影响的复杂过程。
自然对流换热
自然对流
01 简介
03 影响因素
目录
02 分类 04 求解方法
基本信息
自然对流换热，亦称“自由对流换热”，简称“自然对流”、“自由对流”。是指不依靠泵或风机等外力推 动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。
参与换热的流体由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场或其他力场中产生浮升力所引起的对流 换热现象。
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分类
分类
自然对流换热分为大空间自然对流换热和有限空间自然对流换热两类。流体在大空间作自然对流时，流体的 冷却过程与加热过程互不影响。这类问题比较简单，但总结出的关联式却具有很大的实用意义，它可以应用到比 形式上的大空间更广的范围。因为在许多实际问题中，虽然空间不大，但热边界层并不相互于扰，因而可以应用 大空间自然对流换热的规律计算。换句话说，就是可以把它当作大空间问题来处理。
简介
简介
图1自然对流亦有层流和湍流之分。以贴近一块热竖壁的自然对流为例来作分析，其自下而上的流动景象 图1所示。
在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍流。
不同的流动状态对换热具有决定性影响。
自然对流换热试验
自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。
（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。
（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。
二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。
即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。
当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。
根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。
为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。
对流换热
du
物理量
cp 表明流体的某些物理性质对传热的影响。 gl 3 2 t 表明因受热引起的自然对流对传热的影响。 2 h—传热膜系数；—导热系数； l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)； Cp—流体的比定压热容；—流体的膨胀系数。
Nu K Rea Pr b Gr c
应用条件： 特征尺寸l：管内径d 应用范围：Re＞104；0.7＜Pr＜16700；l/d>60； μ＜2 mPa· s 定性温度：黏度μw 取壁温，其余取流体进出口温 度的算术平均值，但由于壁温未知，处理如下 加热时： ( w )0.14 1.05 冷却时： ( w )0.14 0.95
1 2g 2 gt
强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头） 作用所产生的流动
h强制 h 自然
如空气自然对流的h值约为5-25 W/(m2· ℃)，而强制对流的h值可达 10-250 W/(m2· ℃)。
(2) 流动状态
当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传 递充分，且随着Re增大，靠近固体壁面的有效层流膜厚度变薄， 提高传热速率，即h增大，当流体为层流流动时，流体中无混杂 的质点运动，所以其h值较湍流时的小。
3 2
2
)c
对流传热中的特征数
特征数
Nusselt number
Reynolds number Prandtl number Grashoff number 特征数形式
特征数的物理意义
h
l
表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导 热系数与换热器壁几何尺寸的作用。
确定传热时流体的流动形态，并表明对换热 的影响。
固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界 层 ，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。
自然对流换热系数与面积
自然对流换热系数与面积
首先，根据牛顿冷却定律，自然对流换热系数h与表面积A之间的关系可以表示为Q = hAΔT，其中Q是通过表面的热量，ΔT是流体和表面的温度差。
从这个方程可以看出，换热系数h与表面积A成正比。
换句话说，表面积的增加会导致更多的热量传递，从而增加换热系数。
其次，自然对流换热系数与表面积之间的关系还受到表面形状和流体性质的影响。
对于相同的表面积，不同形状的表面对流体的影响也不同，因此换热系数也会有所不同。
此外，流体的性质如粘度、密度和导热系数也会影响自然对流换热系数与表面积之间的关系。
最后，需要注意的是，自然对流换热系数与表面积之间的关系并不是线性的，而是受到多种因素的综合影响。
因此，在实际工程中，需要综合考虑流体性质、表面形状和表面积等因素，通过实验或计算得出适合的换热系数值。
综上所述，自然对流换热系数与表面积之间的关系是复杂而多变的，需要综合考虑多种因素才能准确描述。
在工程设计和实际应
用中，需要根据具体情况进行分析和计算，以获得合适的换热系数值。
对流换热
表示自然对流： Nu = f (Gr, Pr) = CGrm Pr n
对流换热准则关系式计算换热量：（注意适用条件） 注意适用条件） 注意适用条件 例如，当流体在管内作受迫流动，且其
Prf ＝0.6～120时，可选用下述准则式：
层流 Re ＜2300时，
Nuf = 0.15 Ref
0.33
Prf
0.34
ρ
ηc p v pr = = λ a ——流体的动力粘性系数 [kg/(m·s)]；
c p ——流体的定压比热容[J/(kg·K)]；
λ
——流体导热系数[W/(m·℃)]； a ——热扩散率（m2/s）； a——运动粘度（m2/s）。
• 换热面的形状和大小及位置 影响流体的流动情况，边界层的形成、发展 产生显著影响，从而影响对流换热。 • 流体有无相变 发生流体集态改变（或相变），如液体受热沸 腾或蒸汽遇冷凝结的对流换热过程，称为相变换热。 相变换热较强烈。 问题：什么是对流换热？影响因素？
四、 相变换热
工程中常遇到的相变对流换热过程有：液体受热沸腾 和蒸汽放热凝结 （一）凝结换热 膜状凝结：蒸汽同低于其相应压力下的饱和温度的冷 壁面接触时，放出汽化潜热而凝结成液体附着在冷壁 面上。如果润湿性液体能很好地润湿壁面，在冷壁面 上铺展成一层完整的液膜，称为膜状凝结。 珠状凝结：非润湿性液体的蒸汽凝结时，凝结液体在 冷壁面上凝聚成一颗颗小液珠，而不形成连续的液膜， 这种凝结称为珠状凝结。
∂u ∂v ∂ (ρu ) ∂(ρv ) + =0 + =0 ⇒ 连续性方程： ∂x ∂y ∂x ∂y
y
方向的动量
而 x 方向和 克斯方程)
y
方向的动量方程为：(纳维－斯托
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。
传热学对流换热
传热学 / 对流换热
二、连续性微分方程（质量守恒方程）
依据质量守恒定律，在单位时间内，净流入微 元体的质量等于微元体内的质量增量。
（2）层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较弱；
（有热边界层和层流速度边界层） （3）湍流状态时，对流很强，导热可忽略， dt/dy很小；在 壁面附近的层流底层，此处主要依靠导热， dt/dy 较 大。（有热边界层、湍流速度边界层及层流底层）
传热学 / 对流换热
（四）热边界层厚度与热阻的关系
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
传热学 / 对流换热
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。 自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导。
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。
u 0.99u
传热学 / 对流换热 3、速度边界层定义 把紧靠壁面、速度变化比较剧烈的流体层叫做速度 （流动）边界层。
由于各层流体之间的速度不同，相互间就存在着相对滑动， 即流体发生了剪切变形，于是各层之间产生出一种抵抗变形 的力，称为内摩擦力或粘性力。
传热学 / 对流换热
2、牛顿内摩擦定律
流体运动所产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速 度梯度成正比，与接触面的面积成正比，并与流体的物理 性质有关。 du du f A dy dy
第四章 对流换热..
（第三章已经推导出）
（2）由对流引起的
（3）内能的变化： 代入热力学第一定律，从而有：
第三节 边界层微分方程组
上一节导出的方程组虽然是封闭的，原则上可以求解， 但要针对实际问题求解上述方程组是非常困难的。直到 普朗特提出边界层这一概念后，方程组才有实质性的简 化。下面就运用数量级分析的方法简化对流换热微分方 程组。 数量级法分析：是指通过比较方程式中各项量级的相对 大小，把量级较大的项保留下来。而舍去量级较小的项， 实现方程式的合理简化。 对于上述微分方程组，假设为二维稳态，重力场可忽略 的强制对流换热问题。 设主流速度u、温度t、壁面长度l 以及速度边界层和热边 界层5个量的量级如下：
思路：取控制体，利用能量守恒和动量守恒建立微分方程 组结合单值性条件。 b. 建立边界层的积分方程组求解α （近似解法） c. 利用动量和能量的比拟方法（类比法） （2）实验研究方法： 用相似原理或量纲分析法，将众多的影响因素归纳成为数 不多的几个无量纲的准则，通过实验确定α 的具体关系式。 （3）两者的联系和区别（理论分析法和实验研究方法） 两种方法在解决对流换热问题上起相辅相成的作用。虽然 解析解不能求解各种各样对流换热问题，但能深刻地揭示 出各个物理量对换热系数的影响，而且也是评价其它方法 所得结果的标准和依据，而实验研究方法可以得到具体的 表达方式，而且是设计计算的主要计算式，是必须掌握的 内容。
6. 边界层（附面层）的概念 由于流体都存在着粘性，所以流体流过避免时，在壁面 附近的区域流体的温度和速度均发生了很大的变化。实 验研究表明，换热系数的大小主要取决于这一区域内流 体的流动情况，这一区域称边界层。 （1）速度边界层 如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法面方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 普朗特研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边 界层的概念。
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。
换热系数大自然对流课件
掌握对流换热的基本原理和方 法；
理解换热系数在大自然对流中 的作用和影响；
能够运用所学知识解决实际问 题；
培养学生对自然界运动规律的 探究精神和科学素养。
课程安排
01
02
第一部分
对流换热基本原理和方法；
第二部分
换热系数与大自然对流的关系 ；
03
第三部分
案例分析和讨论；
04
第四部分
课程总结和展望。
02
实验装置与设计
为研究大自然对流现象，需要设计相应的实验装置，包括加热器 、测温装置、流动显示装置等。
实验参数与控制
为保证实验结果的准确性和可重复性，需要对实验参数进行精确控 制，如加热功率、气流速度等。
数据采集与分析
通过采集实验数据，如温度场分布、速度场分布等，进行数据分析 ，提取对流现象的内在规律。
工程应用案例介绍
建筑节能
在建筑设计过程中，通过优化窗户、外墙等部位的传热系数，可以有效提高建 筑的保温性能，降低能源消耗。
工业生产
在工业生产过程中，对于热交换器、反应釜等设备，通过优化传热表面的结构 和材料，可以提高设备的换热效率，降低能源消耗。
06
总结与展望
主要内容回顾
大自然对流的定义和分类 换热系数的概念和测量方法
THANKS
感谢观看
实验结果分析与讨论
数据处理与可视化
对采集到的实验数据进行处理和可视化，将原始 数据转化为直观的图表和图像形式。
结果分析与解释
根据数据处理结果，进行深入分析，揭示大自然 对流现象的内在机制和影响因素。
对比与讨论
将实验结果与理论预测进行对比，讨论存在的差 异和原因，为完善理论模型提供依据。
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。
换热系数大自然对流
h 的影响因素
流动起因 流动状态 流体的热物性 流体相变 几何因素
流动起因： 受迫流动：流速一般较大，换热系数大 自然对流：流速一般较小，换热系数小
流动状态： 层流：热扩散机理主要为分子扩散，热扩散系数一般小 紊流：流体掺混作用强化了热扩散，热扩散系数一般大
流体的热物性 ： 导热系数大，热扩散能力强，对流换热系数大； 比热、密度大，热对流传递热量的能力强，壁面附 近温度梯度大，有利于对流换热；
U
u u
f1
y
f1 Y
3Y 2
1Y 2
3
w
u y
w
u
U Y
Y 0
3u 2
(5) 求边界层厚度及摩擦系数
当 u const 时
u
2
d
dx
1
U 1U dY
0
流体的热物性 ：
粘度定义： Ns/m2
u/y 粘度大，流动弱，热对流传递热量的能力小；
体积膨胀系数：
1v
v T
p
体积膨胀系数大，浮升力大，自然对流强，换热得 到加强。
定性温度：用以确定物性参数的特征温度。
三种常见选择方案 t f ，t w ， tm t f tw / 2
2
t Pr1/3
t x
hx
0.332
λ x
Re1x/
2
Pr1/
3
hx x1/ 2
特征数关联式：
普朗特数 Pr 物理意义：分子动量扩散与热扩散能力之比
a
流动起因 流动状态 流体的热物性 流体相变 几何因素
流动起因： 受迫流动：流速一般较大，换热系数大 自然对流：流速一般较小，换热系数小
流动状态： 层流：热扩散机理主要为分子扩散，热扩散系数一般小 紊流：流体掺混作用强化了热扩散，热扩散系数一般大
流体的热物性 ： 导热系数大，热扩散能力强，对流换热系数大； 比热、密度大，热对流传递热量的能力强，壁面附 近温度梯度大，有利于对流换热；
U
u u
f1
y
f1 Y
3Y 2
1Y 2
3
w
u y
w
u
U Y
Y 0
3u 2
(5) 求边界层厚度及摩擦系数
当 u const 时
u
2
d
dx
1
U 1U dY
0
流体的热物性 ：
粘度定义： Ns/m2
u/y 粘度大，流动弱，热对流传递热量的能力小；
体积膨胀系数：
1v
v T
p
体积膨胀系数大，浮升力大，自然对流强，换热得 到加强。
定性温度：用以确定物性参数的特征温度。
三种常见选择方案 t f ，t w ， tm t f tw / 2
2
t Pr1/3
t x
hx
0.332
λ x
Re1x/
2
Pr1/
3
hx x1/ 2
特征数关联式：
普朗特数 Pr 物理意义：分子动量扩散与热扩散能力之比
a
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夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度
为特征长度的 Gr 数：
Gr
对于竖直夹层，当 对于水平夹层，当
gt
3
2
当 Gr 极低时换热依靠纯导热：
Gr 2860 Gr 2430。
注意：与教材数据的不同！这里的数据仅供参考！
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二、有限空间自然对流换热 这里仅讨论 如图所示 的竖的和水平的两种 封闭夹层的 自然对流换热 ，而且仅局限于气体 夹层。
封闭夹层示意图 (tw1 tw2 )
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3、自然对流换热的准则方程式 从对流换热微分方程组出发，可得到自然对流换 热的准则方程式：
Nu C ( Gr Pr ) C Ra
n
n
6-16
式中：格拉晓夫数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。其值 的增大表明浮升力作用的相对增大。
6-17
注：竖圆柱按下表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：
d 35 1/ 4 H GrH
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gtl u0l gtl Gr u0 2
2
3
瑞利数：
Ra Gr Pr
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注意各字母的含义及其取值，见教材！
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3、自然对流换热的准则方程式 在常热流边界条件下：
温度分布曲线与强迫流动时相似，呈单调变化。
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具有以下流态： 层流：GrPr <10 7 ； 过渡区：GrPr =10 7 -10 10 ； 旺盛紊流： GrPr >10 10 ； （GrPr）c 一般取 109。
建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !
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传热学
建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !
§6 单相对流换热
Chapter6 The Heat Transfer of Single-phase Convection
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另：随着Gr 的提高，会依次出现向层流特征
过渡的流动（环流）、层流特征的流动、湍流特
征的流动。
对竖夹层，纵横比 H / 对换热有一定影响。
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一、 无限空间自然对流换热 1、流动边界层的形成与发展 设板温高于流体的温度。 板附近的流体被加热因而密度 降低 ( 与远处未受影响的流 体相比 ) ，向上运动并在板 表面形成一个很薄的边界层。 如果竖板足够高，到一定位置 也会从层流发展成为湍流边界 层。自然对流湍流时的换热当 然也明显强于层流。
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自然对流边界层中的速度分布与强迫流动时有原则 的区别。壁面上粘滞力造成的无滑移条件依然存在。同 时自然对流的主流是静止的，因此在边界层的某个位置， 必定存在—个速度的局部极值。就是说，自然对流边界 层内速度剖面呈单峰形状。
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§ 6-4 自然对流换热 0 前言 1、自然对流产生的原因 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体 自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均 匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。 例如：暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电 器元件的散热
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§ 6-4 自然对流换热 2、自然对流换热的分类
自然对流换热问题常常按流体所处空间的特点分成 两大类：
如果流体处于相对很大的空间，边界层的发展 不受限制和干扰，称为无限空间的自然对流换 热； 若流体空间相对狭小，边界层无法自由展开， 则称为有限空间的自然对流换热。
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自然对流亦有层流和湍 流之分。 层流时，换热热阻主要 取决于薄层的厚度。 旺盛湍流时，局部表面 传热系数几乎是常量。
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2、换热特征 在层流边界层随着厚度 的增加，局部换热系数将逐 渐降低，当边界层内层流向 紊流转变队局部换热系数 hx 趋于增大。研究表明，在常 壁温或常热流边界条件下当 达到旺盛紊流时， hx 将保 持不久而与壁的高度无关。
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*自模化现象：对于自然对流紊流，展开关联式后，两边 的定型尺寸可以消去，这表明自然对流紊流的表面传 热系数与定型尺寸无关。
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