4对流传热的理论基础概论
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2) 流体有无相变： 流体无相变时对流传热中的热量交换是由于流体显热的变化
而实现的；在有相变的换热过程中（沸腾或凝结),流体相变热 （潜热）的释放或者吸收常常起主要作用。
3) 流体的流动状态 层流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流 动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。
紊流：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅速 混合，因此紊流对流换热要比层流对流换热强烈，表面传热大。
对于局部对流换热， qx =hx(tw－tf)x
3
Φ = ∫A q xdA= ∫A hx(tw－tf)x= (tw－tf)x ∫A hxdA 等壁温： (tw－tf)x = (tw－tf)
对照式Φ= Ah(tw－tf) 可得
1
h A
A hxdA
如何确定表面传热系数的大小是对流换热计算的核心问题，也
14
mass flow entering left face
udy
1
u dy
u u dx x
u
y
x
dy dx
dx
mass flow leaving right face
u u dx dy
x
15
mass flow leaving top face
1
v
v y
dy
dx
dy
v v dy y
是本章讨论的主要内容。
4
（1）对流传热的影响因素
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用 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。主要有五个方面：
1) 流体流动的起因：影响速度分布与温度分布。 一般情况下，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常
比强制对流换热弱，表面传热系数要小。 强制对流换热：由于水泵、风机或其它外部动力造成。 自然对流换热：由于流体内部的密度差引起。
②对流换热的特点： (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差。
2
4.1 对流传热概述
牛顿冷却公式:
Φ= Ah(tw－tf)=AhΔtm q =h(tw－tf)=hΔtm h—整个固体表面的平均表面传热系数; tw—固体表面的平均温度; tf—流体温度，对于外部绕流，tf取远离壁面的 主流温度；对于内部流动，tf取流体的平均温度。
18
单位时间：流入微元体的净质量 = 微元体内
流体质量的变化
(u) dxdy
x
(v) dxdy
y
dxdy
连续性方程：
u v 0 x y
u
y
x
dy dx
dx v
mass flow entering bottom face
vdx
16
单位时间内流入微元体的净质量 = 微元体内流
体质量的变化。
mass balance
v v dy
y
mass
in
mass
out
mass changed
单位时间内、沿x轴方 u 向流入微元体的净质量： dy
u u dx x
M
x
M
xdx
udy
u
u x
dx dy
dx v
(u) dxdy
x
17
单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：
M
y
M
ydy
vdx
v
v
y
dy
dx
(v) dxdy
y
u
v v dy y u u dx x
单位时间内微元体内流 体质量的变化:
(dxdy) dxdy
dy
dx v
其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈； 动力粘度η，Pa⋅s；运动粘度ν＝η/ρ，m2/s。 流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热。
体胀系数α，K－1，体胀系数影响重力场中的流体因密度差 而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。
8
（2）对流传热现象的分类
9
（3）对流传热的研究方法
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4.2 对流传热问题的数学描写
1.对流换热微分方程组
假设：
(1) 流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与换热壁
面的特征长度l相比非常小，流体可近似为连续性介质；
(2) 流体的物性参数为常数，不随温度变化；
(3) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声速的流
体可以近似为不可压缩性流体；
6
4) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几
何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温 度分布，对对流换热产生影响。
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5) 流体的物理性质 热导率λ，W/(m⋅K)， λ愈大，流体导热热阻愈小，对流换 热愈强烈； 密度ρ，kg/m3
比热容c，J/(kg⋅K)。ρc反映单位体积流体热容量的大小，
(4) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，
遵循牛顿公式： t
y
(5) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热；
(6) 二维对流换热。
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需要4个方程: 连续性方程（1）; 动量方程（2）;能量方程（1）
(1) 连续性方程
流体的连续流动遵循质量守恒规律。 从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体，并设定x方向的 流体流速为u，而y方向上的流体流速为v 。 M 为质量流量 [kg/s]
第四章 对流传热的理论基础
4.1 对流传热概说 4.2 对流传热问题的数学描写 4.3 边界层型对流传热问题的数学描写 4.4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论
1
4.1 对流传热概述
①对流换热定义：流体和与之接触的固体壁面之间的热量传 递过程，是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。 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。 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
qw
t y
y0
tw
qw
x
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 。
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qw qc
qcFra Baidu bibliotek
htw
t
t y
y0
或 h＝－ t
t y
对流换热过程微分方 程式
y0
➢h 取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度
➢温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、换热面的几 何因素、流体物性均有关。
分析法 数值法 实验法 比拟法 理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采 用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。
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（4）温度场与表面传热系数的关系
壁面上的流体分子层由于受到固体壁面的吸附是处于不滑 移的状态，其流速应为零，那么通过它的热流量只能依靠导热 的方式传递。
由傅里叶定律 ：
y t∞ u∞
2) 流体有无相变： 流体无相变时对流传热中的热量交换是由于流体显热的变化
而实现的；在有相变的换热过程中（沸腾或凝结),流体相变热 （潜热）的释放或者吸收常常起主要作用。
3) 流体的流动状态 层流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动，垂直于流 动方向上的热量传递主要靠分子扩散（即导热）。
紊流：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅速 混合，因此紊流对流换热要比层流对流换热强烈，表面传热大。
对于局部对流换热， qx =hx(tw－tf)x
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Φ = ∫A q xdA= ∫A hx(tw－tf)x= (tw－tf)x ∫A hxdA 等壁温： (tw－tf)x = (tw－tf)
对照式Φ= Ah(tw－tf) 可得
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h A
A hxdA
如何确定表面传热系数的大小是对流换热计算的核心问题，也
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mass flow entering left face
udy
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u dy
u u dx x
u
y
x
dy dx
dx
mass flow leaving right face
u u dx dy
x
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mass flow leaving top face
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v
v y
dy
dx
dy
v v dy y
是本章讨论的主要内容。
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（1）对流传热的影响因素
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用 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。主要有五个方面：
1) 流体流动的起因：影响速度分布与温度分布。 一般情况下，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常
比强制对流换热弱，表面传热系数要小。 强制对流换热：由于水泵、风机或其它外部动力造成。 自然对流换热：由于流体内部的密度差引起。
②对流换热的特点： (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差。
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4.1 对流传热概述
牛顿冷却公式:
Φ= Ah(tw－tf)=AhΔtm q =h(tw－tf)=hΔtm h—整个固体表面的平均表面传热系数; tw—固体表面的平均温度; tf—流体温度，对于外部绕流，tf取远离壁面的 主流温度；对于内部流动，tf取流体的平均温度。
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单位时间：流入微元体的净质量 = 微元体内
流体质量的变化
(u) dxdy
x
(v) dxdy
y
dxdy
连续性方程：
u v 0 x y
u
y
x
dy dx
dx v
mass flow entering bottom face
vdx
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单位时间内流入微元体的净质量 = 微元体内流
体质量的变化。
mass balance
v v dy
y
mass
in
mass
out
mass changed
单位时间内、沿x轴方 u 向流入微元体的净质量： dy
u u dx x
M
x
M
xdx
udy
u
u x
dx dy
dx v
(u) dxdy
x
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单位时间内、沿y轴方向流入微元体的净质量：
M
y
M
ydy
vdx
v
v
y
dy
dx
(v) dxdy
y
u
v v dy y u u dx x
单位时间内微元体内流 体质量的变化:
(dxdy) dxdy
dy
dx v
其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈； 动力粘度η，Pa⋅s；运动粘度ν＝η/ρ，m2/s。 流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热。
体胀系数α，K－1，体胀系数影响重力场中的流体因密度差 而产生的浮升力的大小，因此影响自然对流换热。
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（2）对流传热现象的分类
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（3）对流传热的研究方法
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4.2 对流传热问题的数学描写
1.对流换热微分方程组
假设：
(1) 流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程与换热壁
面的特征长度l相比非常小，流体可近似为连续性介质；
(2) 流体的物性参数为常数，不随温度变化；
(3) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声速的流
体可以近似为不可压缩性流体；
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4) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几
何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温 度分布，对对流换热产生影响。
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5) 流体的物理性质 热导率λ，W/(m⋅K)， λ愈大，流体导热热阻愈小，对流换 热愈强烈； 密度ρ，kg/m3
比热容c，J/(kg⋅K)。ρc反映单位体积流体热容量的大小，
(4) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，
遵循牛顿公式： t
y
(5) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热；
(6) 二维对流换热。
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需要4个方程: 连续性方程（1）; 动量方程（2）;能量方程（1）
(1) 连续性方程
流体的连续流动遵循质量守恒规律。 从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体，并设定x方向的 流体流速为u，而y方向上的流体流速为v 。 M 为质量流量 [kg/s]
第四章 对流传热的理论基础
4.1 对流传热概说 4.2 对流传热问题的数学描写 4.3 边界层型对流传热问题的数学描写 4.4 流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论
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4.1 对流传热概述
①对流换热定义：流体和与之接触的固体壁面之间的热量传 递过程，是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。 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。 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
qw
t y
y0
tw
qw
x
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 。
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qw qc
qcFra Baidu bibliotek
htw
t
t y
y0
或 h＝－ t
t y
对流换热过程微分方 程式
y0
➢h 取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的温度梯度
➢温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、换热面的几 何因素、流体物性均有关。
分析法 数值法 实验法 比拟法 理论分析、数值计算和实验研究相结合是目前被广泛采 用的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。
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（4）温度场与表面传热系数的关系
壁面上的流体分子层由于受到固体壁面的吸附是处于不滑 移的状态，其流速应为零，那么通过它的热流量只能依靠导热 的方式传递。
由傅里叶定律 ：
y t∞ u∞