传热学-第五章 对流传热的理论基础

综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (v, t w , t f , , c p , , , , l , Ω)
对流换热分类小结
对流换热
单相对流换热
相变对流换热 大容器沸腾
沸腾换热
管内沸腾 相变对流换热 珠状凝结 凝结换热 膜状凝结
自然对流 单相 对流 换热 混合对流
● 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； 3)电风扇
2 对流换热的特点
(1) 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 (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 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 。
M y M y dy ( v) dy dxdy y y M y
如何确定 h 及增强换热的措施是对流换热的核 心问题
h ——
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
5 影响对流换热系数 h 的因素有以下5 方面 流体流动的起因
流体有无相变
流体的流动状态
换热表面的几何因素
流体的物理性质
6 对流换热的分类： (1) 流动起因
(4) 换热表面的几何因素：
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
(5) 流体的热物理性质：
热导率
[ W (m C) ]

比热容 c [J (kg C) ] 密度
[kg m3 ]
运动粘度
[ m 2 s]
2 [ N s m ] 动力粘度
（Laminar flow） （紊流）（Turbulent flow）
层流 过渡流 （旺盛）湍流
(3) 流体有无相变
单相换热：
（Single phase heat transfer）
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
（Phase change）
（Condensation）
（Boiling）
h相变 h单相
分别写出微元体各方向的质量流量分量：
X方向：
M x udy
M x M xdx M x dx x
单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：
M x ( u ) M x M x dx dx dxdy x x
同理，单位时间内、沿 y 轴方向流入微元 体的净质量：
牛顿公式
Q h A t
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，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 的表达式。
对流传热系数大致数值范围
1 对流换热的定义和性质
对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象。
第五章 对流传热的理论基础
对流换热应用背景介绍 工程上流体流过一个物体的表面的时的热量传递过程，叫做对流 换热。工程上利用这种换热方式来实现许多装置的热交换问题。
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
§5-1 对流传热概说

自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。 到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分。 (a) 某些方面还处在积累实验数据的阶段； (b) 某些方面 研究比较详细，但由于数学上的困难；使得在工程上 可应用的公式大多数还是经验公式（实验结果）
层流 大空间自然对流 紊流 层流 有限空间自然对流 紊流
管内强制对流换热
强制对流
流体横掠管外强制对流换热 流体纵掠平板强制对流换热
ห้องสมุดไป่ตู้
7 对流传热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴 壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0, u=0）
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传
3 对流换热的基本计算式
牛顿冷却式:
Φ hA(t w t ) W
q Φ A h(t w t f ) W m

2

4 表面传热系数（对流换热系数）
h Φ ( A(t w t ))
W (m C)
2
当流体与壁面温度相差 1 度时、 每单位壁面面积上、单位时间内所传递 的热量
§5-2 对流传热问题的数学描写
为便于分析，推导时作下列假设：



流动是二维的 流体为不可压缩的牛顿型流体 流体物性为常数、无内热源； 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
1
质量守恒方程(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（z方向为 单位长度），如图所 示，质量流量为M [kg/s]
体胀系数 [1 K ]

1 v 1 v T p T p
h
(流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 )
、c h (单位体积流体能携带更 多能量)
h (有碍流体流动、不利于 热对流)
自然对流换热增强
自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密 度差异所产生的流动
强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头） 作用所产生的流动
h强制 h 自然
(2) 流动状态
h湍流 h层流
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流：流体质点做复杂无规则的运动
Re 2200 4 2200 Re 10 Re 104
递
根据傅里叶定律：
t
y
y 0
t q y
y=0
为贴壁处壁面法线方向上的流体 温度变化率为流体的导热系数
将牛顿冷却公式与上式联立，即可得 到对流换热过程微分方程式
h
t
t y
y 0
h 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体
的温度梯度
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状 况（层流或紊流）、流速的大小及其分布、表 面粗糙度等 温度场取决于流场 速度场和温度场由对流换热微分方程组确定： 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程