传热学第三章对流传热
传热学第三章对流传热
传热学第三章对流传热一、名词解释1．速度边界层：在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。
2．温度边界层：在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。
3．定性温度：确定换热过程中流体物性的温度。
4．特征尺度：对于对流传热起决定作用的几何尺寸。
5．相似准则(如Nu,Re,Pr,Gr,Ra)：由几个变量组成的无量纲的组合量。
6．强迫对流传热：由于机械(泵或风机等)的作用或其它压差而引起的相对运动。
7．自然对流传热：流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动。
8．大空间自然对流传热：传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰时的自然对流传热。
9．珠状凝结：当凝结液不能润湿壁面(θ>90˚)时，凝结液在壁面上形成许多液滴，而不形成连续的液膜。
10．膜状凝结：当液体能润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角(液体与壁面交界处的切面经液体到壁面的交角)θ<90˚，凝结液在壁面上形成一层完整的液膜。
11．核态沸腾：在加热面上产生汽泡，换热温差小，且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加热表面的速度，汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加。
12．膜态沸腾：在加热表面上形成稳定的汽膜层，相变过程不是发生在壁面上，而是汽液界面上，但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数，因此表面传热系数大大下降。
二、填空题1．影响自然对流传热系数的主要因素有：、、、、、。
(流动起因，流动速度，流体有无相变，壁面的几何形状、大小和位置，流体的热物理性质)2．速度边界层是指。
（在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。
）温度边界层是指。
（在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。
）3．流体刚刚流入恒壁温的管道作层流传热时，其局部对流传热系数沿管长逐渐，这是由于。
（减小，边界层厚度沿管长逐渐增厚）4．温度边界层越对流传热系数越小，强化传热应使温度边界层越。
（厚，簿）5．流体流过弯曲的管道或螺旋管时，对流传热系数会，这是由于。
（增大，离心力的作用产生了二次环流增强了扰动）6． 流体横掠管束时，一般情况下， 布置的平均对流传热系数要比 布置时高。
03传热学第三章非稳态热传导
cV
dt
d
cV (t0
t )(
hA
cV
)
exp(
hA
cV
)
hA0
exp(
hA
cV
)
※0~ 时间内传给流体的总热量：
Q 0 d
0
h
A
0
e
xp(
hA
cV
)d
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0 cV
1
exp
hA
cV
15
（2） 时间常数
令
c
cV
hA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e c
0
※当 时
0 0
即t t
※当
时
c
与几何参数、物理性 质、换热条件有关
(, ) m ( )
cos(1)
f
( Bi , )
则平板中任意点过余温度比 m 0 m 0
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31
相当于第一 类边界条件
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32
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任意时刻平板 内温度均匀
33
书中的诺谟图仅适用一维平板第一类边界条件下的加热及冷却
过程以及具有恒温介质的第三类边界条件，并且Fo>0.2
Q0
cV (t0 t )
0
τ时刻的平均 过余温度
当Fo>0.2时，正规状况阶段温度场与导热量的计算式可统一表示为：
( , 0
)
A exp(
12 Fo)
f
( 1 )
Q Q0
1
A exp(12Fo)B
其中，A、B、f(μ1η)的表达示见表3-1。
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30
对流传热公式
对流传热公式
对于对流传热公式，其本质是牛顿冷却定律，即对流传热率与温
度差成正比，与传热面积、传热系数成正比。
其数学表达式为：Q = hAΔT
其中，Q为传热速率，单位为W或J/s；h为对流传热系数，单位
为W/(m²·K)；A为传热面积，单位为m²；ΔT为传热的温度差，单位
为K或℃。
需要注意的是，对流传热系数是由传热流体的性质、流速、传热
面的特性等因素决定的，而其解析式一般是无法给出的，需要通过实
验测定或经验公式来获得。
同时，在实际应用中，涉及较复杂的情况时，如自然对流、强迫对流、辐射对流等，对流传热公式需要结合其
他传热模型和理论来计算。
此外，对流传热过程中还会出现边界层效应、湍流效应等，这些
都需要进行特殊考虑。
还有一些特殊技术和装置，如换热器、冷却塔、空气调节装置等，则需要运用更为复杂的传热理论和模型。
综上所述，对流传热公式是传热学中最常见且基础的一种模型，但在实际应用中需要注意各种特殊因素，并采用合适的传热模型和理论进行分析和计算。
对流传热
对流传热第一题：知识点总结（一）对流传热概述1、对流传热：流体流过固体壁时的热量传递。
传热机理：热对流和热传导的联合作用热流量用牛顿冷却公式表示：Φ=hA△t其中对流传热面积A，温差△t，对流传热系数h2、影响对流传热系数的因素（1）流动的起因：>由于流动起因的不同，对流换热分为强迫对流传热与自然对流传热两大类。
（2）流动速度：>根据粘性流体流动存在着层流和湍流两种状态，对流传热分为层流对流传热与湍流对流传热两大类。
（3）流体有无相变：同种流体发生相变的换热强度比无相变时大得多。
（4）壁面的几何形状、大小和位置：对流体在壁面上的运动状态、速度分布和温度分布有很大影响。
（5）流体的热物理性质：影响对流传热系数有热导率λ，密度，比定压热容，流体粘度，体积膨胀系数。
综上所述，影响对流传热系数h的主要因素，可定性地用函数形式表示为h=f（v，l，λ，，，或，，）（二）流动边界层和热边界层1、流动边界层特性：（1）流体雷诺数较大时，流动边界层厚度与物体的几何尺寸相比很小；（2）流体流速变化几乎完全在流动边界层内，而边界层外的主流区流速几乎不变化；（3）在边界层内，粘性力和惯性力具有相同的量级，他们均不可忽略；（4）在垂直于壁面方向上，流体压力实际上可视为不变，即=0；（5）当雷诺数大到一定数值时，边界层内的流动状态可分为层流和湍流。
2、热边界层定义：当流体流过物体，而平物体表面的温度与来流流体的温度不相等时，在壁面上方形成的温度发生显著变化的薄层，称为热边界层。
热边界层厚度：当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即=0.99，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度记为。
与δ一般不相等。
3、普朗特数流动边界层厚度δ反应流体分子动量扩散能力，与运动粘度有关；而热边界层厚度反应流体分子热量扩散的能力，与热扩散率a有关。
==它的大小表征流体动量扩散率与热量扩散率之比（三）边界层对流传热微分方程组1、连续性方程+=02、动量微分方程根据动量定理可导出流体边界层动量微分方程流体纵掠平壁时3、能量微分方程热扩散率a=边界层能量微分方程式：+=4、对流传热微分方程-------x处的对流传热温差------流体的热导率-------x处壁面上流体的温度变化率（四）、管内强迫对流传热1、全管长平均温度可取管的进、出口断面平均温度的算术平均值作为全管长温度的平均，即=（）2、层流和湍流的判别由雷诺数Re大小来判别针对管内流动，当Re<2200时为层流；Re>1×时为湍流；2200<Re<1×时则为不稳定的过渡段（1）管内流动：（2）板内流动：湍流强迫对流传热管内强迫对流平均对流传热系数特征数关联式为：=0.023R P:考虑边界层内温度分布对对流传热系数影响的温度修正系数；:考虑短管管长对对流传热系数影响的短管修正系数；:考虑管道弯曲对对流传热系数影响的弯管修正系数。
《传热学》课后习题答案-第三章
第三章思考题1. 试说明集总参数法的物理概念及数学处理的特点答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。
而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数， 数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。
2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数,形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。
3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题 答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略 不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。
如薄板两侧均匀加热或冷却、 炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。
4. 什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理过程及数学处理上都有些什么特点?答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍 随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置()和边界条件(Bi 数) 的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。
这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。
5. 有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由是： 这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi 有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。
你是否同意这种看法,说明你的理由。
答：我不同意这种看法，因为随着时间的推移，虽然物体中各点过余温度的比值不变 但各点温度的绝对值在无限接近。
这与物体中各点温度趋近流体温度的事实并不矛盾。
6. 试说明Bi 数的物理意义。
传热学知识点总结(填空)
1．热量传递的三种基本方式为热传导、热对流、热辐射。
2．热流量是指单位时间内所传递的热量，单位是W。
热流密度是指单位传热面上的热流量，单位W/m2。
3．总传热过程是指热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，它的强烈程度用总传热系数来衡量。
4．总传热系数是指传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量，单位是W ／(m2·K)。
（传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量，W／(m2·K)）5．导热系数的单位是W／(m·K)；对流传热系数的单位是W／(m2·K)；传热系数的单位是W／(m2·K)6．复合传热是指对流传热与辐射传热之和，复合传热系数等于对流传热系数与辐射传热系数之和，单位是W／(m2·K)。
7．单位面积热阻r t的单位是m2·K/W；总面积热阻R t的单位是K/W。
8．单位面积导热热阻的表达式为δ/λ9．单位面积对流传热热阻的表达式为1/h。
10．总传热系数K与单位面积传热热阻r t的关系为r t=1/K。
11．总传热系数K与总面积A的传热热阻R t的关系为R t=1/KA。
12．稳态传热过程是指物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程。
13．非稳态传热过程是指物体中各点温度随时间而改变的热量传递过程。
14．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为30W/(m2.K)，对流传热系数为70W/(m2.K),其复合传热系数为100 W/(m2.K)15．由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是热辐射。
16．由烟气向空气预热器传热的主要方式是热对流。
17．已知一传热过程的热阻为0.035K/W，温压为70℃，则其热流量为2kW。
18．一大平壁传热过程的传热系数为100W/(m2.K)，热流体侧的传热系数为200W/(m2.K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2.K)，平壁的厚度为5mm，则该平壁的导热系数为5 W/(m.K)，导热热阻为0.001(m2.K)/W。
传热学第二版刘彦丰知识点总结
传热学第二版刘彦丰知识点总结传热学第二版是一本介绍传热学基础知识和应用的教材，它包含了许多重要的知识点。
第一章介绍了传热学的基本概念和热力学基础。
其中，热力学第一定律和第二定律是传热学中非常重要的概念，它们分别描述了热量守恒和热力学不可逆性原理。
此外，本章还介绍了传热学的三种传热方式：传导、对流和辐射。
第二章主要介绍了传热学中的传导现象和传导方程。
传导是指物质内部热量的传递，其传热方式与物质本身的性质密切相关。
本章还介绍了传导方程的推导及其解法，其中包括了稳态传热和非稳态传热的处理方法。
第三章介绍了对流传热，包括自然对流和强制对流。
自然对流是指由密度差异引起的流动，而强制对流是通过外界施加的力来引起的流动。
本章还介绍了对流传热的传热系数计算方法，以及流动和传热的相互关系。
第四章主要介绍了辐射传热，包括辐射的基本概念、辐射传热的特点和辐射传热方程的推导。
辐射传热是指通过电磁波的传递而实现的热量传递，其特点是不需要介质的存在，可以在真空中传递热量。
第五章介绍了传热学中的传热器件和传热系统。
传热器件是指用于传热的装置，如换热器、冷凝器、蒸发器等。
传热系统是由传热器件和其他组成部分组成的整体，如蒸汽发生器、冷却塔等。
本章还介绍了传热器件和传热系统的设计和优化方法。
第六章介绍了传热学中的传热实验和传热测量技术。
传热实验是通过实验手段来研究传热现象和参数的变化规律，其目的是为了建立传热理论和验证传热计算方法的正确性。
本章还介绍了传热测量技术的基本原理和方法，包括温度测量、热流量测量和热阻测量等。
传热学第二版是一本全面介绍传热学基础知识和应用的教材，涵盖了传热学的各个方面。
通过学习本书，读者可以深入了解传热学的基本概念、传热方式、传热方程和传热器件等，还可以学习传热实验和传热测量技术的基本原理和方法。
传热学对流换热
对流换热思考题答案1．答：流动入口段指速度分布趋于稳定以前的距离。
热入口段则指无量纲温度趋于稳定以前的距离。
层流时流动入口段的长度主要取决于Re 以及管子入口处的形状，壁面状况等。
热入口段长度则除了Re 以外，还与Pr 也有密切关系。
在Pr ≈1时，两个入口段的长度相等。
对于Pr >>1的情形，L flow <<L temp 。
对于Pr <<1则情况大致相反。
紊流时，由于动量传递和热量传递均主要依靠紊流脉动机理，故这时流动入口段与热入口段长度的比例不再与Pr 相联系，一般来说可以认为L flow ≈L temp 。
2．答：如附图所示。
有 d Φ = q m c d t f = q w πD d x ，即const cq Dq m w ==πdx dt f 即恒热流加热（或冷却）时，无论是否达到充分发展，流体的截面平均温度总是呈线性变化的。
根据上述结论，显然两者的出口截面温度也相同。
但是壁温的情况有所区别。
由于q w = h x [ t w (x )－ t f (x )]x在充分发展段，表面传热系数保持恒定，壁温与流体平均温度之差也保持恒定，两者均呈线性变化。
但在入口段内，局部表面传热系数呈逐步下降，换热温差则呈逐步升高的趋势。
(a) 恒壁温 (b) 恒热流3．答：这个表达方式存在一点问题。
当流体向壁面放热时，∆t ' = t w – t f1， ∆t '' = t w – t f2 。
两个温差皆为负值，而且前一个比后一个更负。
这样一来对数平均温差将成为负值，显然是不正确的。
4．答：管内充分发展的层流对流换热努塞尔数Nu f 等于常数，而紊流时Nu f ~ Re f 0.8。
由此可知层流时h x ~ d -1，紊流时h x ~ d -0.2，所以层流时管径的影响比紊流时大得多。
5．答：这种说法不正确。
实际上，对Pr 的幂指数不需要区分液体和气体。
传热学实验三-对流传热实验2
传热学实验三-对流传热实验2实验三对流传热实验一、实验目的⒈通过对空气—水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α1的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
⒉通过对管程内部插有螺纹管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、实验装置本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。
空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。
管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。
饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。
该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。
表1实验装置结构参数实验内管内径di（mm）16.00实验内管外径do（mm）17.92实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）52.5总管长（紫铜内管）L（m）1.30测量段长度l（m）1.10蒸汽温度空气出口温度空气入口温度蒸汽压力空气压力孔板流量计测量空气流量图1空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1—光滑套管换热器；2—螺纹管的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；4—旋涡气泵；5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7、8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀；12、13—蒸汽放空口；15—放水口；14—液位计；16—加水口；三、实验内容1、光滑管①测定6～8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数α1。
②对α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem中常数A、m的值。
2、波纹管①测定6～8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数α1。
传热学第三章
内能减小=物体向环境对流换热
7
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院
传 热 学
定义过余温度： θ=t-t∞
dt cV Ah (t t ) d
cV
dt Ah d
初始条件：
d
τ=0， θ =θ0=t0-t∞
微分方程分离变量，并积分：
0
hA cV
Fo>0.2，正规状况阶段
非稳态导热过程中传递热量
从τ=0 至热平衡
Q0 cV (t 0 t )
19
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院
传 热 学
从τ=0 至τ时刻
Q c V t 0 t ( x, )dV 1 Q0 cV (t 0 t ) V 1 1 V (t 0 t ) (t t ) dV V t0 t
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院 6
传 热 学
1. 导热微分方程式建立
例：测量变化着的温度的热电偶
t0 t
t t0 0
t f ( ) ?
t 2t 2t 2t ( 2 2 2) 导热微分方程： c x y z c
11
传 热 学
4. BiV及FoV物理意义
Biv hl
1 h
l
内部面积导热热阻 表面面积对流换热热阻
无量纲 热阻 无量纲 时间
从边界上开始发生热扰 动时刻起 a 到所计算时刻为止的时 间间隔 Fov 2 2 边界上发生有限大小的 热扰动穿过一定 l l a 厚度的固体层扩散到 2的面积上所需时间 l
FoV越大，热扰动越深入地传播到物体内部， 物体内各点的温度越接近周围介质的温度
(精品)传热学课件：对流传热
hx
t
t y
w,x
计算当地对流传热系数 hx
§5-2 对流传热问题的数学描写
对流传热系数的确定方法
1 微分方程式的数学解法
a. 精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到
边界层微分方程组 常微分方程
求解
b. 近似积分法： （本课程不介绍） 假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程
c. 数值解法：近年来发展迅速（本课程不介绍） 可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速
2v y2 )
c
p
t
u
t x
v
t y
2 t x 2
2t y 2
h x
tw
t
t
y
y 0, x
§5-2 对流传热问题的数学描写
前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）
前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：
§5-1 对流传热基本概念
对流传热过程微分方程式
hx
tw
t
t y
w,x
hx 取决于流体导热系数、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传热微分方程组确定：
质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
cp
2t x2
＋
2yt2
u
t x
v
t y
t
§5.2 对流传热问题的数学描写
二、对流传热微分方程组: 4个未知量： u、v； t； p (常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
传热学试题库及参考答案
（如以某时刻作为时间的起算点，在该时刻导热物体内的温度分布）
14．通过长圆筒壁导热时，圆筒壁内的温度呈分布规律.
（对数曲线）
15．温度梯度表示温度场内的某一地点等温面法线方向的。
（温度变化率）
16．第二类边界条件是指。
（给定物体边界上任何时刻的热流密度qw分布）
三、选择题
1．当采用加肋片的方法增强传热时，最有效办法是将肋片加在哪一侧? ( )
(1)K＝50W/(m2.K)，rt＝0.05m2.K/W
(2)K＝0.02W/(m2.K)，rt＝50m2.K/W
(3)K＝50W/(m2.K)，rt＝0.02m2.K/W
(4)K＝50W/(m2.K)，rt＝0.05K/W
15．平板的单位面积导热热阻的计算式应为哪一个?
(1)δ/λ(2)δ/(KA) (3)1／h (4)1/(KA)
5．按照导热机理，水的气、液、固三种状态中_______态下的导热系数最小。
（气）
6．一般，材料的导热系数与_____和_____有关。
（种类，温度）
7．保温材料是指_____的材料.
（λ≤0.12 W/(m·K)(平均温度不高于350℃时)）
8．已知材料的导热系数与温度的关系为λ＝λ0(1+bt)，当材料两侧壁温分别为t1、t2时，其平均导热系数可取下的导热系数。
（傅立叶， ）
2．非稳态导热时，物体内的_____场和热流量随_____而变化。
（温度，时间）
3．导温系数的表达式为_____，单位是_____，其物理意义为_____。
（a=λ/cρ,m2/s,材料传播温度变化能力的指标）
4．肋效率的定义为_______。
材料工程《传热学-概述》课件
材料工程基础多媒体课件
14
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
2.对流换热
对流换热的基本规律<牛顿冷却公式> 流体被加热时：
流体被冷却时：
材料工程基础多媒体课件
15
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
2.对流换热
ｈ—比例系数（表面传热系数）
ｈ的物理意义：单位温差作用下通过单位 面积的热流量。
用于加热或冷却物料的流
体称为载热体，其中起加热作
用的叫加热剂，起冷却作用的
T2
叫冷却剂。
t1
T t
t2
规定：冷流体温度用t表示 ，热流体温度用T表示，下标
1，2分别代表进口与出口参
数，qm1，qm2分别表示热流
体、冷流体的质量流量
材料工程基础多媒体课件
dl
T1
套管换热器示意
25
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
4. 导热、对流、辐射的评述
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观 表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这 是热辐射区别于导热，对流的基本特点
材料工程基础多媒体课件
21
第三章 传热学—第一节 概述
四、两流体通过间壁换热与传热速率方程式
间壁式换热器 Regenerator
式中λ为热导率，又称导热系数，
负号表示热量传递的方向与温度
升高的方向相反，上式是一维稳态
导热时傅立叶定律的数学表达式。
材料工程基础多媒体课件
11
第三章 传热学—第一节 概述
三、热量传递的基本方式
1.热传导（导热）
导热系数λ表征材料导热性能优劣的参数， 是一种物性参数，与材料的种类和温度有 关，单位：w/m·k 。
传热学-对流换热PPT课件
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。
西安交大高等传热学热对流第三章
y 0 : u 0, v 0, T Tw x 0 : u u x , T T
y (d ) : u u x , T T
高等传热学 Advanced Heat Tr2
存在相似解
u , T
高等传热学 Advanced Heat Transfer
Chap. 3 Laminar external boundary layers
高等传热学 Advanced Heat Transfer
§3-1 laminar forced convection over a flat plate 1.The Governing Eqs & BCs
du 0, 外掠平板流动 dx
高等传热学 Advanced Heat Transfer
2.Flow solutions
m 1 u ( x) y 2 x f u 1 1 u u y u y
m 1 2
m 1 2
2 m 1 cx f m 1 2 m 1 f ' m 1 2
m 1 f 2
高等传热学 Advanced Heat Transfer
代入动量方程
f ''' ff '' 1 f '2 0
Falkner-Skan Eq. 三阶非线性常微分方程
BC : 0 : f 0(由v 0), f ' 0(由u 0) : f ' 1
0
f ''' ff '' 0 1 f ''' ff '' 0? 2
3.2 单相对流传热
uDe c p uDecp Pe Re Pr ( )( ) k k
外掠管束 优点：换热强 缺点：阻力大
叉排
t f tw 2
定性速度： u 定型尺寸：x(l)
适用场合：
Re c 5 105
对流换热问题的计算步骤： 定性 温度 物性 Re(Gr) ,Pr 准则 方程 Nu h
由于流体的流动被限制在特定空间，管内流动换热模型与外掠平板 完全不同，且换热情况更为复杂，难以用分析法进行求解，因此必 须在对其特殊性进行分析的基础上，采用实验方法加以研究。
几个无量纲数及准则
Nusselt Number (Nu) = Reynolds Number (Re)× Prandtl Number (Pr)
流速 密度 粘度
热导率
比热
ห้องสมุดไป่ตู้
流动直径
Nusselt Number: Nu = h・D／κ
“Nu” 反映实际热量传递与导热分子扩散热传递的比值， “Nu” 越大换热越强
临界雷诺数
判断流态的准则——临界雷诺数
u xc Re c 5 10 5
热边界层
定义：距离壁面
其中：
t
0 . 9 9 f
处以内的流体层
t tf
与流动边界层的关系——取决于黏性系数与热扩散率的相对大小
普朗特准则
Pr
a
低Pr
温度边界层
高 Pr
温度边界层
T1
壁面
T1’
壁面
低热流量
q＝h(T1-T2) T2
高热流量
q’＝h’(T1’-T2’)
δ1 ＞ δ2
T2’
在低 Pr 的流动中, 热传导占主要地位，因此温度边界层较厚；相反，在高 Pr常数的 流动中，对流传热占主要地位，温度边界层变得很小。 因此，从上图可以看出，低的Pr常数代表着低的热量传递，而高的Pr常数代表着高 的热量传递。也就是说，Pr常数与对流传热有很大的关系。
新大传热学复习指导03对流传热总结
对流传热总结1.特征数（1）雷诺数Re ：惯性力与粘性力之比的一种量度。
νcul Re =（2）普朗特数Pr ：动量扩散能力与热量扩散能力之比的一种量度。
aPr ν=（3）努赛尔数Nu ：壁面上流体的无量纲温度梯度。
λchl Nu =（4）格拉晓夫数Gr ：流体浮升力与粘性力之比的一种量度。
23Δναtgl Gr V c =2.特征方程与应用（1）流体外掠平板的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——平板温度，∞t ——来流温度 特征长度：l l c =，l ——流体流过平板长度 特征流速：∞=u u c ，∞u ——来流流速 流动状态：5105⨯=c Re ，c Re ——临界雷诺数（2）管槽内强制对流的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2f f m t t t ''+'=，f t '——流体进口温度，f t ''——流体出口温度特征长度：d l c =，d ——管子内径 特征流速：u u c =，u ——管内平均流速 流动状态：2300=c Re ，c Re ——临界雷诺数（3）流体横掠单管的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——管壁温度，∞t ——来流温度 特征长度：d l c =，d ——管子外径 特征流速：∞=u u c ，∞u ——来流流速流动状态：51051⨯=.Re c ，c Re ——临界雷诺数（4）流体横掠管束的实验关联式：()Pr Re,f Nu = 定性温度：2f f m t t t ''+'=，f t '——流体进口温度，f t ''——流体出口温度特征长度：d l c =，d ——管子外径特征流速：u u c =，u ——管束最小界面处流速 排数校正：管排数16<需校正（5）竖平板及圆柱大空间自然对流的实验关联式：()Pr ,Gr f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——壁面温度，∞t ——环境温度 特征长度：H l c =，H ——竖平板或圆柱高度 体胀系数：mV T 1=α，m T ——定性温度（6）水平板大空间自然对流的实验关联式：()Pr ,Gr f Nu = 定性温度：2∞+=t t t w m ，w t ——壁面温度，∞t ——环境温度 特征长度：PA l Pc =，P A ——换热面积，P ——换热周长 体胀系数：mV T 1=α，m T ——定性温度（7）夹层有限空间自然对流的实验关联式：()Pr ,Gr f Nu = 定性温度：2ch m t t t +=，h t ——热面温度，c t ——冷面温度 特征长度：δ=c l ，δ——冷、热面之间的距离流动状态：竖直夹层导热2860≤δGr ，水平夹层导热2430≤δGr（8）膜状凝结的实验关联式：()c l ,,t ,r ,,f h ληρΔ= 定性温度：2ws m t t t +=，s t ——蒸气饱和温度，w t ——壁面温度 特征长度：H l c =，H ——板、柱、球竖直高度流动状态：()16004=-=rt t hl Re w s c c η，c Re ——临界膜层雷诺数（9）大容器膜态沸腾的实验关联式：()c l ,,t ,r ,,f h ληρΔ= 定性温度：2ws m t t t +=，s t ——饱和液体温度，w t ——壁面温度 特征长度：H l c =，H ——横管外径d 沸腾状态：常压下水C 200Δo >t（10）大容器核态沸腾的实验关联式：()wl p C Pr,,,c ,t ,r ,,f h σηρΔ= 定性温度：2ws m t t t +=，s t ——饱和液体温度，w t ——壁面温度 特征长度：H l c =，H ——横管外径d 沸腾状态：常压下水C 25ΔC 4o o <<t。
传热学-第3章-稳态导热的计算与分析
d dr
r
dt dr
0
对方程积分两次，可得通解为：
t c1 ln r c2
积分常数c1和c2由边界条件确定，
c1
tw1
ln r2
tw2
r1
c2
tw1
tw1
tw2
ln r1
ln r2 r1
圆筒壁的温度分布为：
t
tw1
tw1
tw
2
ln r ln r2
r1 r1
51
3.2.2 第一类边界条件下常物性、无内热源的圆筒壁
t x tw2
积分两次，得到通解为：
t c1x c2
10
3.1.2 第一类边界条件下的常物性、无内热源的平壁
t c1x c2
得到平壁内的温度分布为：
t
tw2 tw1
x
tw1
根据傅立叶定律，可求得通过平壁的
热流量和热流密度
Φ A dt A tw1 tw2 A t
dx
q dt tw1 tw2 t
第3章 稳态导热的计算与分析
导热的理论基础： ——导热的基本定律 ——导热微分方程
工程中的许多问题，直接利用三维、非稳 态的导热微分方程进行求解是没有必要的
可根据具体问题的特点进行简化
1
第3章 稳态导热的计算与分析
分析工程问题时，需要作出适当的简化和假设 稳态导热便是其中最重要也是最常用的简化之一 ——处于正常运行工况时的物体，可以看作处于稳定状
q
tw1 tw4
1 2 3
1 2 3
29
3.1.5 常物性、无内热源的多层平壁
❖ 由热流密度相等的原则可依 次求出各层间分界面上的温 度，即
传热学-第三章非稳态导热问题分析解
单位时间 0, t t0
物体内能 的减少(或 增加)
Φ hAt t
Φ cV dt d
当物体被冷却时（t 0 >t）,由能量守恒可
知
hA(t t ) -Vc dt
d
令： t t — 过余温度，则有
hA
-Vc
d d
( 0) t0 t 0
控制方程 初始条件
方程式改写为：d hA d 分离变量法 Vc
由于表面对流换热热阻与导热热阻相对大小的不同， 平板中温度场的变化会出现以下三种情形：
（1） 1/ h / Bi
（2） / 1/ h Bi 0
（3） δ/ λ 与1/h 的数值比较接近 0 Bi
Bi 准则对温度分布的影响
1/ h /
/ 1/ h δ/ λ 与1/h的数值接近
是一种理想化模型； 物体内导热热阻忽略不计； 物体内温度梯度忽略不计，认为整个物体具有相
同的温度；
通过表面传递的热量立即使整个物体的温度同时 发生变化； 把一个有分布热容的物体看成是一个集中热容的物体；
只考虑与环境间的换热不考虑物体内的导热。
问题的提出：
2 温度分布 如图所示，任意形状的物体，参数均为已知。
0.049 0.05 可采用集总参数法。
F cp V
cp
dl 2d 2 d 2l 4
4
cp
4(l d dl
2)
140 4 (0.3 0.025) 480 7753 0.05 0.3
0.326102
t tf 800 1200 0.342
0 t0 tf 30 1200
由式(3-1)得：
？？？
§3-2 集总参数法
基本思想：对任意形状的物体，忽略物体内部的导热 热阻，认为物体温度均匀一致。
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1.下列各参数中，属于物性参数的是：
(1)传热系数K
(2)吸收率a
(3)普朗特数Pr
(4)传热系数he
2.流体纯自然对流传热的准则方程可写成
⑴Nu=f(Re,Pr)(2)Nu=f(Gr，Pr)
(3)Nu=f(Re，Gr，Pr) (4)Nu=f(Bi，Fo)
3.流体掠过平板对流传热时，在下列边界层各区中，温度降主要发生在：
27.如果流体的流动是由流体内部温差产生的密度差引起的，称为。
(1)强迫对流(2)自由运动(3)湍流对流(4)层流对流
28.对流传热微分方程组包括。
I、付立叶定律U、对流传热微分方程川、基尔霍夫定律W、连续性
方程V、动量微分方程 切、能量微分方程
(1)nmwv(2)inmw⑶hwvw(4)
29.Num其特征温度为。
(1)壁面过热度，4(2)壁面过热度，6
(3)热流密度，4(4)热
流密度，6
22•对流传热微分方程组共有几类方程？
(1) 2⑵3(3)4⑷5
23.凝结液能很好的润湿壁面，形成完整的膜向下流动，称为。
(1)凝结(2)膜状凝结(3)珠状凝结⑷稳态凝结
24.下列哪个不是影响对流传热的主要因素？
(1)流动起因；
8.
9.
定型准则是指：
(1)包含定型尺寸的准则
(3)含有待求量的准则 工程中，较为常用的沸腾工况是指：
(2)全部由已知量构成的准贝U
(4)待定准则
10.
11.
12.
(1)膜态沸腾(2)核态沸腾(3)自然对流沸腾(4)以上都不是
下述哪种手段对提高对流传热系数无效？
(1)提高流速(2)增大管径
(3)采用入口效应⑷采用导热系数大的流体
⑴流体温度(2)平均温度⑶壁面温度(4)不定
30.当流体外掠圆管时，10<Re<1.5105其边界层为，脱体发生在
处。其局部换热系数到达最值。
(1)湍流，1400，低⑵层流，1400，高(3)湍流，820，低⑷层 流，82f，低
31.自然对流传热的准则方程为。
10.14111
(1)Nuf1.86 RefPrf鱼3-L(2).Num0.664Re,2Prf3(3)Num0.53(Gr Pr)3
二、填空题
1.影响自然对流传热系数的主要因素
有:、、、、、
。
（流动起因，流动速度，流体有无相变，壁面的几何形状、 大小和位置，流体 的热物理性质）
2.速度边界层是指。
（在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。） 温度边界层是指
（在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。）
3.流体刚刚流入恒壁温的管道作层流传热时，其局部对流传热系数沿管长逐
(4)从不稳定膜态沸腾过渡到稳定膜态沸腾的转折点
6.流体在大空间沿竖壁自然对流传热时，在湍流状态下；对流传热系数正比于 竖壁高度的()
(1)0次方(2)0.8次方(3)1/4次方(4)1/3次方
7.液体沸腾时，汽泡内的压力大于汽泡外液体的压力，主要由于下列哪个因素 造成的？
(1)传热温差(2)表面张力(3)浮升力⑷重力
(2)tw；
⑶「
(4)换热面的几何形状。
25.对于Pr数，下列说法哪个是错误的？
(1)它是动力粘度与热扩散率的比值；
(2)它是研究对流传热最常用的重要准则；
(3)对于层流流动，当Pr=1时，S=St；
(4)它反映了流体中热量扩散和动量扩散的相对程度。
26.自由对流传热的流态主要取决于的数值。
(1)Pr(2)Fo(3)Re⑷Gr
(提示：从热边界层厚度方面加以阐述：(1)在入口段， 边界层的形成过程一般 由薄变厚；(2)边界层的变化引起换热系数由大到小变化， 考虑到流型的变化， 局 部长度上可有波动，但总体上在入口段的换热较强(管长修正系数大于1)；(3)
热实验关联式，将各无量纲量展开整理后加以表述。)
2.试举几个强化管内强迫对流传热的方法(至少五个)。
(提示：通过分析强迫对流换热系数的影响因素及增强扰动、 采用人口效应和 弯管效应等措施来提出一些强化手段，如增大流速、采用机械搅拌等。 )3． 试比较强迫对流横掠管束传热中管束叉排与顺排的优缺点。
(提示：强迫对流横掠管束换热中， 管束叉排与顺排的优缺点主要可以从换热 强度和流 动阻力两方面加以阐述：(1)管束叉排使流体在弯曲的通道中流动， 流体扰动剧烈， 对流换热系数较大， 同时流动阻力也较大；(2)顺排管束中流体在较为平直的通道 中流动，扰动较弱，对流换热系数小于叉排管束， 其流阻也较小；(3)顺排管束由 于通道平直比叉排管束容易清洗。 )4． 为什么横向冲刷管束与流体在管外纵向冲刷相比，横向冲刷的传热系数大?
(提示：可以从以下3个方面加以阐述：(1)在电厂凝汽器中， 水蒸气在管壁上 凝结，凝结换热系数约为4500—18000W／(m2．K)，对流换热量很大；(2)水蒸气 与壁面之间的温差较小， 因而辐射换热量较小；(3)与对流换热相比， 辐射换热所 占的份额可以忽略不计。 )6． 用准则方程式计算管内湍流对流传热系数时，对短管为什么要进行修正?
(1)水冷⑵氢冷(3)气冷(4)水沸腾冷却
相变传热的特征为。
(1)工质比体积变化较大⑵汽化潜热(3) (1)+(2)⑷工质比体积较
大
20.
21.
冷却液润湿壁面的能力取决于。
(1)液体的表面张力(2)液体与壁面间的附着力(3) (1)+(2)⑷(1)或⑵
在饱和沸腾时，随着的增高，将会出现个换
热规律全然不同的区域。
()
(2)对流传热强度
(4)导热能力大小
13.
14.
描述浮升力与黏滞力的相对大小的准则数称为：
(1)Re⑵Gr(3)Pr(4)Ra
当管长远大于管径时，圆管横向布置时的管外膜状凝结传热系数与竖放 时相比如何？
(1)
横放时大
(2)
两者差不多
(3)
竖放时大
(4)
无法比较
15.
无量纲组合
旦称为什么准则?
(2)普朗特Pr
传热学第三章对流传热
一、名词解释
1.速度边界层：在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。
2.温度边界层：在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。
3.定性温度：确定换热过程中流体物性的温度。
4.特征尺度：对于对流传热起决定作用的几何尺寸。
5.相似准则（如Nu,Re,Pr,Gr,Ra）:由几个变量组成的无量纲的组合量。
渐，这是由于。
（减小，边界层厚度沿管长逐渐增厚）
4.温度边界层越对流传热系数越小，强化传热应使温度边界层
（厚，簿）
5.流体流过弯曲的管道或螺旋管时，对流传热系数会，这是由
于。
（增大，离心力的作用产生了二次环流增强了扰动）
6.流体横掠管束时，一般情况下，布置的平均对流传热系
数要比布置时高。
（叉排，丿
7.管外流动传热，有纵向冲刷和横向冲刷之分，在其他条件相同时，以 向冲刷方向传热更为强烈。
10.膜状凝结：当液体能润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角（液体与壁面交
界处的切面经液体到壁面的交角）9<90?,凝结液在壁面上形成一层完整的 液膜。
11.核态沸腾：在加热面上产生汽泡，换热温差小，且产生汽泡的速度小于 汽泡脱离加热表面的速度，汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急 剧增加。
12.膜态沸腾：在加热表面上形成稳定的汽膜层，相变过程不是发生在壁面 上，而是汽液界面上，但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数，因此 表面传热系数大大下降。
21.自然对流传热是
扌旨。
(流体在浮升力作用下的对流传热)
22.管槽内对流传热的入口效应是指o
(流体入口段由于热边界层较薄而具有较高的对流传热系数)
23.流体在大空间沿竖壁作自然对流传热时，对于湍流工况，其对流传热系
数正比于竖壁高度的次方。
(0)
24.大容器沸腾曲线分为、、、
四个区段。
(自然对流、核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾)
（横向）
8.对流传热微分方程式的表达式为。其中，aX是
入是，△t是，— 是0
yy0
（hx-，局部换热系数，流体导热系数，主流流体温度与壁温之
t yy0
差，贴壁处流体的法向温度变化率）
9.纯净饱和蒸气膜状凝结的主要热阻是0
（液膜的导热热阻）
10.大容器饱和沸腾曲线可分为、、、
四个区域，其中具有温差小、热流大的传热特点。
=0
（流体流动时浮升力与粘滞力之比的无量纲量,
14.减小管内湍流对流传热热阻的方法
^有、、、0
（增加流速，采用短管。改变流体物性，增加换热面积，扰流，采用导热系数 大的流体 用小管径等）
15.反映对流传热强度的准贝卩称为准贝卩。
（努塞尔）
16.普朗特准则Pr的数学表达式为，它表征了
的相对大小。
（v/a,动量传递与热量传递）
(1)主流区(2)湍流边界层(3)层流底层பைடு நூலகம்
(4)缓冲区(5)湍流核心区
4.空气自然对流传热系数与强迫对流时的对流传热系数相比：
⑴要小的多(2)要大得多
(3)十分接近(4)不可比较
5.沸腾的临界热流量qe是：
(1)从过冷沸腾过渡到饱和沸腾的转折点
(2)从自由流动过渡到核态沸腾的转折点
(3)从核态沸腾过渡到膜态沸腾的转折点
已知某气体的密度为1.26kg/m3,比热为1.02kJ/(kg•K)，导热系数为
0.025W/(m•K)，粘度为15.1x10-6m2/s,其Pr(普朗特)准则数为多少？()
(1)0.78(2)0.02(3)0.7
Nu(努谢尔特)准则反映：⑴惯性力和粘滞力的相对大小(3)浮升力和粘滞力的相对大小