工程热力学与传热学(中文) 第10章 对流换热
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（管内强制对流换热，外掠壁温强制对流换热， 自然对流换热等）
10-1 对流换热概述
10-1-1 基本概念和计算公式
1. 对流换热（Convection heat transfer）
流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用 的热量传递现象。
2. 牛顿冷却公式（Newton’s law of cooling）
low velocities is typically laminar.
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
湍流边界层
层流底层：导热 湍流核心区：对流
主流区
u∞
u∞ tf
u∞
u
u δ
层流底层 q
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
2. 流动的状态 —— 层流流动与湍流流动
层流（Laminar flow）
流速缓慢 沿轴线或平行于壁面作规则分层运动 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
u∞
u
导热
q
0 层流边界层
x
管内层流流动
Example Oils-- the flow of high-viscosity fluid at
1. 流动的起因 —— 强迫对流与自然对流
强迫对流换热（Forced Flow ） 流体在风机，水泵或其他外部动力作用下产生的流动。
自然对流换热（Natural Flow） 流体在不均匀的体积力作用下产生的流动。
对空气h： 自然对流 h 5 25W /(m2 K) 强迫对流 h 10 100W /(m2 K)
Characteristic length
特征长度
d
管内流动
热面朝上
外部绕流
热面朝下
总结 影响对流换热的因素：
h f (u, tw, t f , , , cp , , , l,)
对强迫对流换热
h f (u, tw, t f , , , cp , , l,)
对自然对流换热
1
(
t
)p
对自然对流换热有很大影响
Reference temperature
定性温度
影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小
几种对流传热过程表面传热系数的数值大致范围
传热过程 自然对流 强制对流
水的相变换热
介质种类 空气 水 气体 高压水蒸气 水 沸腾 蒸汽凝结
表面传热系数 h [ W/m2.K ] 1-10 200-1000 20-100 500-35000 1000-1500 2500-35000 5000-25000
说明
就介质而言，水的对流传热比空气强烈。 就对流传热方式而言
• 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
5. 换热表面的几何因素（The surface geometric conditions）
换热表面的几何形状，尺寸，相对位置，表面粗糙度等。
对对流换热有显著影响 影响流态，速度分布，温度分布
导热系数λ
空气 cp 1.21 kJ /(m3 C)
换热能力强
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 0.551 W /(m K )
冷却能力强
空气 0.0257 W /(m K )
粘度μ（Viscosity）
工程热力学与传热学
传热学 第十章 对流换热
第十章 对流换热
内容要求
掌握对流换热问题的机理和影响因素 了解对流换热的数学描述 边界层理论概述与边界层内对流换热微分方程组的简化 外掠等壁温平板层流换热分析解简介 掌握对流换热的实验研究方法，相似原理 各种典型对流换热的基本特点和计算方法
就对流传热方式而言 • 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
4. 流体的热物理性质（Physical properties of fluid）
对对流换热的强弱有非常大的影响。
密度和比热容
体积热容 cp ：单位体积流体热容量的大小
常温下：水 cp 4186 kJ /(m3 C)
x
对流 导热
Example Air-- the flow of low-viscosity fluid at high velocities is typically turbulent.
3. 流体有无相变
有相变的换热 —— 沸腾换热与凝结换热 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同
加热水沸腾，由液态变为气态 蒸气在对流换热中被冷却而凝结
浮升力项 包含的因子
h f (, , cp , , l,,t)
tw — 固体表面的平均温度。 tf — 流体温度。
• 外部绕流（外掠平板，圆管）： tf 为流体的主流温度。
• 内部流动（各种形状槽道内的流动）： tf 为流体的平均温度。
tf
d
外部绕流
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：
qx hx (tw t f )x
影响速度分布与流态（ Laminar , turbulent flow ） μ越大，分子间约束越强，相同流速不易发展成湍流状态 高粘度流体（oils）多处于层流状态，h较小
体积膨胀系数α（The volume expansion coefficient ）
1 v
v ( t ) p
整个换热物体表面的总对流换热量：
Q A qxdA A hx (tw t f )x dA
平均表面传热系数：
h Q (tw t f ) A
1 A
A hxdA
对流换热的核心问题
u∞ tf
tw 0
tw-tf=Const
qx twx hx
A
x
x
10-1-2 对流换热的影响因素
Ah(t w t f ) q h(tw t f ) ht
流动方向 u∞
tf
u
t
若流体被加热： t tw t f 若流体被冷却： t t f tw
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
式中： h — 固体表面的平均表面换热系数。W/m2.K （the convection heat transfer coefficient）
10-1 对流换热概述
10-1-1 基本概念和计算公式
1. 对流换热（Convection heat transfer）
流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用 的热量传递现象。
2. 牛顿冷却公式（Newton’s law of cooling）
low velocities is typically laminar.
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
湍流边界层
层流底层：导热 湍流核心区：对流
主流区
u∞
u∞ tf
u∞
u
u δ
层流底层 q
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
2. 流动的状态 —— 层流流动与湍流流动
层流（Laminar flow）
流速缓慢 沿轴线或平行于壁面作规则分层运动 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
u∞
u
导热
q
0 层流边界层
x
管内层流流动
Example Oils-- the flow of high-viscosity fluid at
1. 流动的起因 —— 强迫对流与自然对流
强迫对流换热（Forced Flow ） 流体在风机，水泵或其他外部动力作用下产生的流动。
自然对流换热（Natural Flow） 流体在不均匀的体积力作用下产生的流动。
对空气h： 自然对流 h 5 25W /(m2 K) 强迫对流 h 10 100W /(m2 K)
Characteristic length
特征长度
d
管内流动
热面朝上
外部绕流
热面朝下
总结 影响对流换热的因素：
h f (u, tw, t f , , , cp , , , l,)
对强迫对流换热
h f (u, tw, t f , , , cp , , l,)
对自然对流换热
1
(
t
)p
对自然对流换热有很大影响
Reference temperature
定性温度
影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小
几种对流传热过程表面传热系数的数值大致范围
传热过程 自然对流 强制对流
水的相变换热
介质种类 空气 水 气体 高压水蒸气 水 沸腾 蒸汽凝结
表面传热系数 h [ W/m2.K ] 1-10 200-1000 20-100 500-35000 1000-1500 2500-35000 5000-25000
说明
就介质而言，水的对流传热比空气强烈。 就对流传热方式而言
• 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
5. 换热表面的几何因素（The surface geometric conditions）
换热表面的几何形状，尺寸，相对位置，表面粗糙度等。
对对流换热有显著影响 影响流态，速度分布，温度分布
导热系数λ
空气 cp 1.21 kJ /(m3 C)
换热能力强
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 0.551 W /(m K )
冷却能力强
空气 0.0257 W /(m K )
粘度μ（Viscosity）
工程热力学与传热学
传热学 第十章 对流换热
第十章 对流换热
内容要求
掌握对流换热问题的机理和影响因素 了解对流换热的数学描述 边界层理论概述与边界层内对流换热微分方程组的简化 外掠等壁温平板层流换热分析解简介 掌握对流换热的实验研究方法，相似原理 各种典型对流换热的基本特点和计算方法
就对流传热方式而言 • 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
4. 流体的热物理性质（Physical properties of fluid）
对对流换热的强弱有非常大的影响。
密度和比热容
体积热容 cp ：单位体积流体热容量的大小
常温下：水 cp 4186 kJ /(m3 C)
x
对流 导热
Example Air-- the flow of low-viscosity fluid at high velocities is typically turbulent.
3. 流体有无相变
有相变的换热 —— 沸腾换热与凝结换热 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同
加热水沸腾，由液态变为气态 蒸气在对流换热中被冷却而凝结
浮升力项 包含的因子
h f (, , cp , , l,,t)
tw — 固体表面的平均温度。 tf — 流体温度。
• 外部绕流（外掠平板，圆管）： tf 为流体的主流温度。
• 内部流动（各种形状槽道内的流动）： tf 为流体的平均温度。
tf
d
外部绕流
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：
qx hx (tw t f )x
影响速度分布与流态（ Laminar , turbulent flow ） μ越大，分子间约束越强，相同流速不易发展成湍流状态 高粘度流体（oils）多处于层流状态，h较小
体积膨胀系数α（The volume expansion coefficient ）
1 v
v ( t ) p
整个换热物体表面的总对流换热量：
Q A qxdA A hx (tw t f )x dA
平均表面传热系数：
h Q (tw t f ) A
1 A
A hxdA
对流换热的核心问题
u∞ tf
tw 0
tw-tf=Const
qx twx hx
A
x
x
10-1-2 对流换热的影响因素
Ah(t w t f ) q h(tw t f ) ht
流动方向 u∞
tf
u
t
若流体被加热： t tw t f 若流体被冷却： t t f tw
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
式中： h — 固体表面的平均表面换热系数。W/m2.K （the convection heat transfer coefficient）