《传热学对流换热》PPT课件
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第6章-对流换热1PPT课件
一、换热微分方程
由牛顿冷却定律：
q w ,xh x(tw-t ) W m 2
由傅里叶定律与牛顿冷却公式：
对流换热过程
hxtw t y tw ,x
微分方程式
W (m 2C ) (62)
-
22
五、流动边界层
层流
过渡流
湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
五、流动边界层
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
一、牛顿公式
qht QhAt
15 16
只是对流换热系数 h 的一个定义式，它并没 有揭示 h 与影响它的各物理量间的内在关系
本章的目的就是要揭示这种联系，即求解表面换 热系数h的表达式。
6.2 影响对流换热的主要因素
影响对流换热系数 h 的因素有以下 5 方面 流体有无相变 流体流动的起因 换热表面的几何因素 流体的流动状态 流体的物理性质
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
作为一种能量输运过程，对流换热过程必然 遵循能量守恒原理，对流过程中的流体温度场 应是能量守恒原理与对流换热具体的热量输运 形式相结合的表现形式，其数学描述称为能量 守恒微分方程，简称能量方程。
在对流换热过程中： 能量守恒原理 — 热力学第一定律； 热量输运形式 — 导热＋对流。
质量*加速度＝体积力＋压力＋粘滞力
D D u uu u xv u yw u z
（u
uuvu) x y
Fx
px (x2u2
y2u2)
（v
uvvv) x y
Fy
py (x2v2
y2v2)
二、动量守恒微分方程(Navier-Stokes)
稳态下自然对流：
《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件
4个方程,4个未知数(h,u,v,t)， 理论上存在唯一解， 可通过数学方法进行求解
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
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将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
对流换热1幻灯片课件
运动粘度，ν= μ/ρ
体积膨胀系数，α
h 流体内部和流体与壁面间导热热阻小
,ch单位体积的流体能够携带更多的能量
h 有碍流体流动、不利于热对流
h 自然对流换热增强
• 贴壁处热量传递机理
– 粘性流体亦即实际流体，其粘性用粘度或表观粘 度来表征。实际流体的这种粘性作用一般仅限于 壁面附近的流体层，称为边界层。边界层理论是 粘性流体流动的基本理论。
湍流（紊流），Turbulent Flow 流线呈杂乱的不规则运动
Turbulent Flow
层流，Laminar flow 整个流场呈一簇互相平行的流线
h湍流>h层流
• 流体的热物理性质：
导热系数，λ 密度，ρ 比热容，c
不同物性参数最终以准则这种无量纲综 合量的形式来影响对流换热系数h。
动力粘度， μ(η)
对流换热1
• 一般约定Φ, q总取正值，因此当tw>tf时，Δt= tw-tf，当tw<tf时，Δt=tf-tw。
• 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。
• 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。
– 如河流中间的水流速度大，而靠近河岸的水流速度 很慢。
量微分方程及连续性微分方程，共计六个
方程。 • 能量微分方程
t
h t y y0
– 其推导过程与导热微分方程类似
– 推导过程中假定流体是常物性
– 对于微元体的热平衡式是
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ΔH
• d时间内、沿x轴方向导 入与导出微元体净热量：
▪ν表示边界层内流体的速 度场，u∞（最好用uf，以 示统一）表示流体的主流 速度，通常规定达到主流 速度uf的99%处的距离为 边界层厚度δ。沿着流动方 向，边界层厚度在增大。
传热学对流传热的理论基础课件
特征数方程中的 几位人物
传热学对流传热的理论基础课件
（4） 与 t 之间的关系及 Pr
对于外掠平板的层流流动: uco,n st
动量方u程 u x： v u y y 2u 2
d d
p 0 x
此时动量方程与能量方程的形式完全一致:
u
t x
v
t y
a
2t y2
表明：此情况下动量传递与热量传递规律相似
上述理论解与实验值吻合。
普朗特边界层理论在流体力学发展史上具有划时代的意义！
传热学对流传热的理论基础课件
5.3 流体外掠等温平板传热的理论分析
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， thermal boundary layer ）
厚度t 范围 — 热边界层或温度边界层
预期解的形式
传热学对流传热的理论基础课件
4. 如何指导实验
• 同名的已定特征数相等 • 单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、
物理条件
实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲 目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题 按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式 ——解决了实验中实验数据如何整理的问题 可以在相似原理的指导下采用模化试验 —— 解决了实物 试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题
Nu — 待定特征数 （含有待求的 h）
Re，Pr，Gr — 已定特征数
特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确 定需要通过理论分析，同时又具有一定的经验性。
传热学对流传热的理论基础课件
关联式中的待定参数需由实验数据确定，通常由图解法 和最小二乘法确定。如通过相似原理或理论分析，预期
传热学对流换热ppt课件
总结词
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
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目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
传热学课件第六章--单相流体对流换热
1 3
紊流： Nu 4.69 Re
0.27
Pr
0.21
Gr
0.07
d L
0.36
其中Gz=Re· Pr· d/L 为格雷茨（Graetz）准则数，定性温度 依然是平均温度tm。
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
2>.对于换热状态
Re>104紊流
入口段 h h hx
充分发段
h∞
x/d
x↑→（层流）↑→hx↓，x↑↑→边界层转入紊流→ c↓→ hx↑， x↑↑↑→ c不变而↑→ hx↓，x↑↑↑↑→ c不变且=R→ hx不变。 此时hx不变的距离（即进口段长度）：L/d=10～45
第三节
自 然 对 流 换 热
三、自然对流与受迫对流换热并存的混合对流换热
当Gr/Re2≥10时：作纯自由流动 当Gr/Re2≤0.1时：作纯受迫流动 当0.1<Gr/Re2<10时：作混合流动 横管内混合对流换热可按下式估算：
f 层流： Nu 1.75 w
0.14
1 Gz 0.012 Gz Gr 3 4 3
q
he
e t w1 t w 2 t w1 t w 2
e/=Nu 故e/即为有限空间自由对流换热的努谢尔特数。 另外一般地说： 对于：水平夹层：Gre<1700时 均作纯导热处理 垂直夹层：Gre<2000时 此时可认为夹层内无环流产生。
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。
对流换热ppt 精品
Page 10
4、对流换热的分类
Page 11
二、对流换热计算公式----牛顿公式
tw t f t aAt 1 R A tw t f t 或 q a t 1 r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流 换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
2) 设备的散热等。
Page 7
换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
Page 8
3、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 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层。
t — 热边界层厚度 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和 边界层内的温度分布 Page 18
（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量；
层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变 化；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热， 换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导 热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
主流区
uf
y uf
uf
边界层界限
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
Page 15
层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。 边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。 边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。 层内速度梯度很大。
4、对流换热的分类
Page 11
二、对流换热计算公式----牛顿公式
tw t f t aAt 1 R A tw t f t 或 q a t 1 r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流 换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
2) 设备的散热等。
Page 7
换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
Page 8
3、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 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层。
t — 热边界层厚度 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和 边界层内的温度分布 Page 18
（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量；
层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变 化；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热， 换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导 热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
主流区
uf
y uf
uf
边界层界限
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
Page 15
层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。 边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。 边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。 层内速度梯度很大。
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。
对流换热计算——传热学课件PPT
l
2
散热量
1 hAtw t hdltw t
4.483.14 10102 250 10 112.5W
水平部分
Grm
计算已定准则
Grm
gtl 3 2
竖直管部分
Grm
gtl3 2
gtl3
Tm 2
9.81 50 10 23 30 273 16106
2
4.0471010
计算公式
Num
0.11Gr
Pr
1/ 3 m
0.11
4.0471010
0.701 1/3
335.5
计算表面传热系数 h Numm 335 .5 2.67 102 4.48W/ m2 K
选取公式 Num 0.0266Re0m.805 Prm1/3 0.02661.0607105 0.805 0.702 1/3 262.6
计算表面传热系数
h
Numm
do
262.6 2.164102 35102
19.6W/
m2 K
计算散热量 hAtw t hdHtw t 19.63.14 0.351.753115 603.55W 5.5106 J
•
计算表面传热系数 h Nu f f
di
250.8 58.65102 28103
5253.4W/
m2 K
• 根据热平衡计算内壁温度 ' hAl twi t f
twi
' hAl
tf
'
hdil
tf
5253
41.21103 3.14 28103
1.7
15
67.5℃
从管内壁到管外壁进行的热量传递过程为通过圆筒壁的导 热，所以可以根据圆筒壁导热量计算公式计算管外壁温度
传热学第五章对流传热理论基础课件
研究对流换热的方法：
（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法
第五章 对流换热
3
5 对流换热的影响因素
其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流 体有无相变; (4)换热表面的几何条件; (5)流体的热物理性质
以流体外掠平板为例：
我们所要得到的是：
（1）当地热流密度和总的换热量
u v 0 x y
（ u
u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x 2
2u y2 )
（ v
u
v x
v
v y
)
Fy
p y
(
2v x 2
2v y 2
)
c
p
t
u
t x
v
t y
2t x2
2t y 2
第五章 对流换热
29
4个方程，4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和 温度场(t)以及压力场(p), 既适用于层流，也适用 于紊流（瞬时值）
dy
c p
(vt) y
dydx
第五章 对流换热
32
Q导热
2t x2
dxdy＋
2t y2
dxdy
Q对流
c p
(ut) x
dxdy
c p
(v t) y
dxdy
c
p
u
t x
v
t y
t
u x
t
v y
dxdy
c
p
u
t x
v
t y
dxdy
U
cpdxdy
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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
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。
• 理想流体：在速度边界层外，速度梯度等于零，粘性力 等于零。这样的流体称为理想流体。
二、表面传热系数 h
h
A(tw t )
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。
h 是一个表征对流换热强弱的非物性参数。 h 受诸如流速、流体物性参数、固体的形状和位置等 许多因素的影响。 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题。
h 只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示与 影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热的任务就 是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数h的表 达式。
第六章 对流换热
本章教学内容
6-0 有关概念 6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数 6-2 影响对流换热的主要因素 6-3 对流换热微分方程组 6-4 对流换热的无量纲准则 6-5 自然对流换热的计算 6-6 强制对流换热的计算
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
（四）热边界层厚度与热阻的关系
热边界层越薄，其热阻越小，换热越强。
（五）边界层的特点
1、热边界层和速度边界层的厚度很小； 2、边界层内速度梯度和温度梯度很大； 3、引入边界层后，流动区域可分为边界层区（粘性流体）
和主流区（理想流体）； 4、边界层内亦有层流和湍流两种状态。
6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数
体层，这一流体层叫做热（温度）边界层。
t tw t t tw 99%
（三）对流换热强度与流体运动状态的关系
（1）流体静止时，完全依靠导热，此时dt/dy最大；(只有 热边界层）
（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）
Re的值界于上、下临界雷诺数之间时，流体处于层流 到湍流的过渡状态，这一区域称为过渡区。
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，
对流换热的实例
1) 暖气管道；2) 电子器件冷却；3)内燃机气缸、活塞的冷 却。
对流换热的特点
✓ 流体的宏观运动 + 微观的导热，导热与热对流同时 存在的复杂热传递过程
✓ 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须 有温差
✓ 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面 处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的机理与通 过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关。
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。
自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导。
➢ 对流换热
流体流过与其温度不同的固体壁面时发生的热量传递 过程。
既有热对流，也有导热。 不是基本传热方式。
（二）热边界层（温度边界层）
1、热边界层的形成原因 流体流过壁面时，如果流体与壁面之间存在温差而进行
对流换热，沿壁面法线方向流体的温度从壁面温度变到主 流温度。
近壁流体中温度梯度的存在，说明流体与壁面之间有热 量的传递3、热边界层定义 对流换热时壁面附近出现一层温度变化比较剧烈的流
一、对流传热基本方程——牛顿冷却定律
热流体被冷却： 冷流体被加热：
Q hA(t f tw ) Q hA(tw t f )
式中：Q ── 对流传热速率，W； h ── 对流传热系数，W/(m2·℃)； Tw，tw ── 热流体，冷流体侧壁温，K或者
℃；
Tf，tf ── 热、冷流体平均温度，℃； A ──传热面积，m2。
杂现象。
3、临界速度 uc
两种流动状态相互转换时的流体流动速度。
uc
Rec
d
uc ——临界速度
d ——管道直径 ——运动粘度 Rec ——临界雷诺数
4、雷诺数和临界雷诺数
雷诺数Re定义式：
Re ud
临界雷诺数Rec：速度等于临界速度时的雷诺数。
• 临界雷诺数Rec可作为判别层流、湍流的依据。 Re < Rec (下) : 层流 Re > Rec (上) : 湍流
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。
f A du
dy
du
dy
3、表示流体粘性大小的物性指标 动力粘度 µ ，单位 kg/(ms) 运动粘度ν，单位 m2/s
/
粘性是流体的一种物理属性，µ或ν的大小与流体种类 有关。对同一流体，其值又随温度而异。
h不是物性参数，是受多种因素影响的复杂函数。
影响对流换热的因素，由newton公式转换为影响对流 换热系数的因素。
对流传热过程分类
6-0 有关概念
一、实际流体的粘性和运动状态 （一）实际流体的粘性 1、粘性 是指流体流动时流体内部产生内摩擦力的性质。 • 体现流体内摩擦力及粘性作用的实验
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。
（二）实际流体的运动状态
1、雷诺实验
1883年，雷诺在有水流动的玻璃管进口处注入有颜色的 液体后发现的现象。
2、层流和湍流
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 特点：流体具有明显分层流动现象，相邻两层之间不存
在流体微团的混杂，而只有分子间的相互交换。
湍流（紊流）：流体质点做复杂无规则的运动。 特点：流体在流动的垂直方向上出现明显而不规则的混
u 0.99u
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。
• 理想流体：在速度边界层外，速度梯度等于零，粘性力 等于零。这样的流体称为理想流体。
二、表面传热系数 h
h
A(tw t )
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。
h 是一个表征对流换热强弱的非物性参数。 h 受诸如流速、流体物性参数、固体的形状和位置等 许多因素的影响。 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题。
h 只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示与 影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热的任务就 是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数h的表 达式。
第六章 对流换热
本章教学内容
6-0 有关概念 6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数 6-2 影响对流换热的主要因素 6-3 对流换热微分方程组 6-4 对流换热的无量纲准则 6-5 自然对流换热的计算 6-6 强制对流换热的计算
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
（四）热边界层厚度与热阻的关系
热边界层越薄，其热阻越小，换热越强。
（五）边界层的特点
1、热边界层和速度边界层的厚度很小； 2、边界层内速度梯度和温度梯度很大； 3、引入边界层后，流动区域可分为边界层区（粘性流体）
和主流区（理想流体）； 4、边界层内亦有层流和湍流两种状态。
6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数
体层，这一流体层叫做热（温度）边界层。
t tw t t tw 99%
（三）对流换热强度与流体运动状态的关系
（1）流体静止时，完全依靠导热，此时dt/dy最大；(只有 热边界层）
（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）
Re的值界于上、下临界雷诺数之间时，流体处于层流 到湍流的过渡状态，这一区域称为过渡区。
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，
对流换热的实例
1) 暖气管道；2) 电子器件冷却；3)内燃机气缸、活塞的冷 却。
对流换热的特点
✓ 流体的宏观运动 + 微观的导热，导热与热对流同时 存在的复杂热传递过程
✓ 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须 有温差
✓ 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面 处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的机理与通 过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关。
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。
自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导。
➢ 对流换热
流体流过与其温度不同的固体壁面时发生的热量传递 过程。
既有热对流，也有导热。 不是基本传热方式。
（二）热边界层（温度边界层）
1、热边界层的形成原因 流体流过壁面时，如果流体与壁面之间存在温差而进行
对流换热，沿壁面法线方向流体的温度从壁面温度变到主 流温度。
近壁流体中温度梯度的存在，说明流体与壁面之间有热 量的传递3、热边界层定义 对流换热时壁面附近出现一层温度变化比较剧烈的流
一、对流传热基本方程——牛顿冷却定律
热流体被冷却： 冷流体被加热：
Q hA(t f tw ) Q hA(tw t f )
式中：Q ── 对流传热速率，W； h ── 对流传热系数，W/(m2·℃)； Tw，tw ── 热流体，冷流体侧壁温，K或者
℃；
Tf，tf ── 热、冷流体平均温度，℃； A ──传热面积，m2。
杂现象。
3、临界速度 uc
两种流动状态相互转换时的流体流动速度。
uc
Rec
d
uc ——临界速度
d ——管道直径 ——运动粘度 Rec ——临界雷诺数
4、雷诺数和临界雷诺数
雷诺数Re定义式：
Re ud
临界雷诺数Rec：速度等于临界速度时的雷诺数。
• 临界雷诺数Rec可作为判别层流、湍流的依据。 Re < Rec (下) : 层流 Re > Rec (上) : 湍流
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。
f A du
dy
du
dy
3、表示流体粘性大小的物性指标 动力粘度 µ ，单位 kg/(ms) 运动粘度ν，单位 m2/s
/
粘性是流体的一种物理属性，µ或ν的大小与流体种类 有关。对同一流体，其值又随温度而异。
h不是物性参数，是受多种因素影响的复杂函数。
影响对流换热的因素，由newton公式转换为影响对流 换热系数的因素。
对流传热过程分类
6-0 有关概念
一、实际流体的粘性和运动状态 （一）实际流体的粘性 1、粘性 是指流体流动时流体内部产生内摩擦力的性质。 • 体现流体内摩擦力及粘性作用的实验
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。
（二）实际流体的运动状态
1、雷诺实验
1883年，雷诺在有水流动的玻璃管进口处注入有颜色的 液体后发现的现象。
2、层流和湍流
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 特点：流体具有明显分层流动现象，相邻两层之间不存
在流体微团的混杂，而只有分子间的相互交换。
湍流（紊流）：流体质点做复杂无规则的运动。 特点：流体在流动的垂直方向上出现明显而不规则的混