传热学对流换热的理论基础文稿演示

tf
对流和导热联合起作用的
u
t
热量传递现象。
平壁表面的 传热机理
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
3. 牛顿冷却公式 （Newton’s law of cooling）
式中：
Ah(twt f ) qh(twtf )ht
流动方向 u∞
tf
u
t
tw
Φ
✓ h —固体表面的平均表面换热系数。wall
平壁上的对流换热
空气 cp1.2k 1/Jm (3C )
导热系数λ：
水的冷却能力强于空气
➢影响流体内部的热量传递过程和温度分布； ➢λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈。
常温下：水 0 .55 W /1 m (K ) 空气 0 .02 W 5 /m (7 K )
粘度μ：
➢ 影响速度分布与流态（层流，湍流）； ➢ μ越大，分子间约束越强，相同流速下不易
定性 用来确定物性参数数值的温度。 温度 例如：流体的平均温度；
流体与壁面温度的算术平均值等。
代表几何因素对换热的影响。
特征 长度
例如：管内换热以内径为特征长度；
沿平板流动以流动方向的尺寸为特征长度等。
对流换热分类
5.1.3 对流传热的研究方法
1. 分析法：
指对描写某一类对流传热问题的偏微分方程及定解条件进 行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解。 可得出精 确解或近似解。适用简单问题。采用数学分析求解的方法，有 指导意义。
学习内容：
对流传热的理论基础，旨在揭示对流传热过程的物理本质、 数学描述方法以及进行试验研究的基本原则。 首先从对流传热物理过程的角度，定性的分析对流传热的影 响因素，然后较深入的讨论对流传热的数学描述，在此基础 上导出边界层类型问题的简化方程，简述其积分解法和比拟 理论的概念。
研究目的：
计算在各种不同条件下的表面传热系数h 1.介绍影响对流传热的因素，确定对流换热表面传热系数h的
几种方法及这些方法的介绍，理解物理机制。 2.具体介绍目前工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算中较常用的几种类型情况下确定h的
计算公式。
5.1.2 对流传热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本方式 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。
归纳起来，主要有以下五方面： 流动的成因（自然对流, 强制对流） 流动的流动状态（层流, 紊流） 换热时物体有无相变（沸腾, 凝结） 流体的物性（导热系数, 粘度, 密度, 比热容等） 换热表面的几何因素
✓ tw — 固体表面的平均温度。
✓ tf — 流体温度。
tf
• 外部绕流（外掠平板，圆管） tf 为流体的主流温度。
外部绕流
• 内部流动 （各种形状槽道内的流动） tf 为流体的平均温度。
d
管内流动
4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数 局部对流换热时局部热流密度：
qxhx(twtf)x
整个换热物体表面的总对流换热量：
发展成湍流状态。 ➢ 高粘度流体（油类）多处于层流状态，h较小。
5. 换热表面的几何因素
换热表面的几何形状，尺寸，相对位置， 表面状态（光滑或粗糙）等。
➢ 对对流换热有显著影响； ➢ 影响流态，速度分布，温度分布。 特征长度
热面朝上
d 管内流动
热面朝下
外部绕流
总结 影响对流换热的因素：
hf(u,l,,,,cp)
传热学对流换热的理论基础文稿演示
5.1 对流传热概说
5.1.1 对流传热的基本概念和计算公式
1. 对流（Convection）： 是指流体各部分之间发生相对位移时，冷热
流体相互掺混所引起的热量传递现象 。
2. 对流换热（Convection heat transfer）:
流体流过另一个物体表面时，流动方向 u∞
1. 流动的起因 —— 强迫对流，自然对流。 流动的起因不同，流体内的速度分布，温度
分布不同，对流换热的规律也不同。 强迫对流：流体在泵，风机或其他外部动力作 用下产生的流动。 自然对流：由于流体内部的密度差产生的流动。
空气h： 自然对流 h52W 5/m (2K) 强迫对流 h1 010 W 0 /m (2K )
2. 流动的流动状态 —— 层流流动，湍流流动。 层流 (Laminar flow)：
➢ 流速缓慢； ➢ 沿轴线或平行于壁面作规则分层流动； ➢ 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
0 层流边界层
x
u∞
u
导热
q
管内层流流动
湍流 (Turbulent flow)：
➢ 流体内部存在强烈脉动和旋涡运动； ➢ 各部分流体之间迅速混合； ➢ 热量传递：主要靠对流 。
2. 实验法； 是目前的主要途径。 相似原理和量纲分析理论。
3. 数值法：
对对流换热过程的特征和主要参数变化趋势作出预测。应 用越来越多。
4. 比拟法：
利用流体动量传递和热量传递的相似机理，建立表面传热 系数和阻力系数之间的相互关系。限制多，范围很小。
当粘性流体在壁面上流动时， 由于粘性的作用，在靠近壁面 处流体的流速逐渐减小；在贴 壁处流体将被滞止而处于无滑 移状态（即：y=0, u=0）—— 无滑移边界条件（流体力学）
Condensation of water vapour on the outer surface of a cold water pipe
4. 流体的热物理性质
对对流换热的强弱有水非的常换大热能的力影远响高。于空气 密度和比热容：
➢体积热容 c p：单位体积流体热容量的大小。
常温下：水 cp41k8/Jm ( 63C )
湍流边界层 层流底层：导热 湍流核心区：对流
u∞ tf
主流区 对流
u∞
δ
u
q
u∞
u 导热
层流底层
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
x
3. 流体有无相变
有相变 —— 沸腾换热，凝结换热。 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流
体不同。
Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water
Q A q xd A A h x(tw tf)xdA
tw-tf=Const
平均表面传热系数： u∞ tf
Q 1
h (twtf
)AAAhxdA
tw
qx twx hx
A
0
对流换热的核心问题
x
x
问题
牛顿冷却公式只是对对流传热表面传热系数h的一个定义式， 它没有揭示出表面传热系数与影响它的有关物理量之间的内 在联系。 对流传热的主要任务：揭示这种内在的联系。