传热学对流换热的理论基础文稿演示
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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
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
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。
tf
对流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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∞
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
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 。
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. 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）
几种方法及这些方法的介绍，理解物理机制。 2.具体介绍目前工程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
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。
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)
✓ 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：
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 )
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
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
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。
tf
对流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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∞
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
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 。
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. 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）
几种方法及这些方法的介绍，理解物理机制。 2.具体介绍目前工程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
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。
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)
✓ 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：
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 )