知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数PPT.
合集下载
传热学第六章对流换热
6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 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H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体
u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：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 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界
对流换热
第八讲对流换热convection heat transfer§8-1 对流换热基本概念一、对流换热过程：对流：是指物体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递方式，必有导热。
对流换热：流体流过一物体表面时对流与导热联合作用的热量传递过程。
牛顿冷却定律Newton’s law of coolingwt ft 如：f w t t t -=∆th q ∆=hAtt Ah qA Φ1∆=∆==为对流传热热阻hA R 1=二、流动边界层1. 流动(速度)边界层：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度(boundary layer thickness):达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离边界层的特点(1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.•分界点Re c=3X105~3X106,一般可取Re c=5X105•在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2) δ=δ(x) x↑δ(x)↑(3) δ(x) << x δ(L) << L(4) 流场分为: 主流区(undisturbed flow regime)(potential)边界层区(boundary regime)三、换热微分方程无滑移边界条件（傅里叶定律）0=∂∂-=y yt A λΦ变化率贴壁处流体的法向温度式中：→∂∂=0y y t 联立，得与牛顿冷却公式t hA ∆=Φ0=∂∂-=y y t t h ∆λ四、影响对流换热的因素⏹流动产生的原因：受迫流动，自然对流⏹流体流动情况：层流（Re<2300），紊流（Re>10000）⏹流体的物性：ρ、λ、η等⏹换热面的形状和位臵⏹流体集态的改变§8-2 对流换热基本方程组1.连续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u •2.动量方程(momentum equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222y v x v y p F y v v x v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ητρητρ惯性力(inertial force)体积力(body force)压力梯度(pressuregradient)粘性力(viscous force)3.能量守恒方程（energy equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t x t a y t v x t u t τ能量变化对流项导热项以此五个量为分析基础。
知识点：紊流状态的对流换热计算PPT.
f
表2
30 1.07 1.05 1.04 1.03 1.02 1.05 40 1.03 1.02 l.02 1.02 1.01 1.02 50 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
20 1.13 1.10 1.08 1.06 1.03 1.13
对于（l/d≥50）的长管，沿管长的对流换热系数的变 化可以忽略。而对于短管（ l/d ＜50）时，应予修正，对 按长管求出的对流换热系数α 乘以管长修正系数ε f，其值 可由表2查得。 弯管中的换热计算，可先按直管计算，求得换热系数后
知识点：紊流状态的对流换热计算
再乘以修正系数ε R。对于螺旋管（即蛇形盘管），的数值可 按下式求得： 对于气体
R 1 1.77
对于液体
d R
（2）
d R 1 1.77 R
（3）
Nu f 0.021 Re Pr
0.8 f
0.43 f
Prf Pr w
0.25
（1）
上式以流体的平均温度tf作为定性温度，以管子的直径 d或流道的当量直径de作为定型尺寸。适用于Ref≥104，Pr=
知识点：紊流状态的对流换热计算
0.6～2500的一切液体和弹性流体，也适合于截面为任何形 状(如圆形、矩形、三角形等)的流道。Prw是以壁面温度tw 作定性温度的普朗特准则。 对于空气，Pr=0.7，于是式（1）可简化为 （2） Nu f 0.018 Re 0.8 f 随流体与壁面之间温差变化流体被加热或被冷却在不同 的适用条件下，准则关联式也有较大差异，见表 1。当流体 与壁面具有较大温差时，对于液体，主要为粘度；气体则为 粘度、密度和导热系数等物性将有明显改变，此时准则方程 式用（μ f/μ w）n、（Tf/Tw）m作为不均匀物性影响的修正项, 对于流体与壁面具有中等温差时上述修正不予考虑。
表2
30 1.07 1.05 1.04 1.03 1.02 1.05 40 1.03 1.02 l.02 1.02 1.01 1.02 50 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
20 1.13 1.10 1.08 1.06 1.03 1.13
对于（l/d≥50）的长管，沿管长的对流换热系数的变 化可以忽略。而对于短管（ l/d ＜50）时，应予修正，对 按长管求出的对流换热系数α 乘以管长修正系数ε f，其值 可由表2查得。 弯管中的换热计算，可先按直管计算，求得换热系数后
知识点：紊流状态的对流换热计算
再乘以修正系数ε R。对于螺旋管（即蛇形盘管），的数值可 按下式求得： 对于气体
R 1 1.77
对于液体
d R
（2）
d R 1 1.77 R
（3）
Nu f 0.021 Re Pr
0.8 f
0.43 f
Prf Pr w
0.25
（1）
上式以流体的平均温度tf作为定性温度，以管子的直径 d或流道的当量直径de作为定型尺寸。适用于Ref≥104，Pr=
知识点：紊流状态的对流换热计算
0.6～2500的一切液体和弹性流体，也适合于截面为任何形 状(如圆形、矩形、三角形等)的流道。Prw是以壁面温度tw 作定性温度的普朗特准则。 对于空气，Pr=0.7，于是式（1）可简化为 （2） Nu f 0.018 Re 0.8 f 随流体与壁面之间温差变化流体被加热或被冷却在不同 的适用条件下，准则关联式也有较大差异，见表 1。当流体 与壁面具有较大温差时，对于液体，主要为粘度；气体则为 粘度、密度和导热系数等物性将有明显改变，此时准则方程 式用（μ f/μ w）n、（Tf/Tw）m作为不均匀物性影响的修正项, 对于流体与壁面具有中等温差时上述修正不予考虑。
《对流室传热计算》课件
适用范围
适用于复杂几何形状、非稳态和 非线性对流换热问题的求解。
注意事项
数值计算方法需要借助计算机进 行，计算过程较为复杂，需要选 择合适的数值方法和计算软件， 同时需要注意数值计算的精度和 稳定性问题。
实验测量方法
实验测量方法
通过实验手段直接测量对流室内的温度分布和换热系数等参数。
适用范围
适用于对实际流动和传热过程的深入了解和验证理论模型。
新型换热器的设计
紧凑型换热器
通过优化设计，减小换热器的体积和重量，便 于安装和维护。
高效换热器
采用新型的换热器结构，提高换热效率，降低 能耗。
智能化换热器
结合现代控制技术，实现对换热器的智能控制，提高运行效率。
05
CATALOGUE
对流室传热的未来展望
传热效率的提高
高效换热器的研究与开发
利用新型材料和先进技术，提高换热器的传 热效率，降低能耗。
《对流室传热计 算》ppt课件
contents
目录
• 对流室传热的基本概念 • 对流室传热的计算方法 • 对流室传热的实际应用 • 对流室传热的新技术发展 • 对流室传热的未来展望
01
CATALOGUE
对流室传热的基本概念
对流室传热的定义
总结词
对流室传热是指热量通过物质的对流传递过程，涉及流体内部粒子之间的相对 运动和热能传递。
通过计算对流换热系数和热阻，工程师可以 确定空调系统中冷凝器、蒸发器和散热器的 尺寸和位置，优化系统的能效比和制冷效果 。
对流室传热计算还有助于评估空调 系统的能效等级，为节能减排和绿 色建筑的发展提供技术支持。
热力发电厂的传热计算
热力发电厂是通过燃烧燃料将热能转化为电能 的重要设施。对流室传热计算在热力发电厂的 设计和运行中具有关键作用。
知识点：层流状态的对流换热计算PPT讲解
Nu f 0.15Re f
0.3 Grf Pr w
0.25
（1）
利用上式可求出管道全程长度的平均换热系数。这个公 式适用于任何流体，并且也考虑了热流方向和自由流动的影 响。
知识点：层流状态的对流换热计算
上式是以流体的温度tf作为定性温度，以管子内径d作为 定型尺寸。对非圆形截面的流道，定型尺寸可采用当量直径 de。Prw是以壁面温度tw作定性温度的普朗特准则。 在管内作层流运动的流体为粘度较大的油类时，自然对 流被抑制，流动呈严格的层流状态。对于这种情况，式（1） 中的准则，此时求得的换热系数为层流时的最低值。 （2）当l/d ＜50时，对流换热系数可按式上式求出α 值 后再乘以管长修正系数ε f，其值可由表1查得。
知识点：层流状态的对流换热计算
雷诺数小于2300时流体在管内处于层流运动状态，由于 各部分之间换热靠导热方式，因此换热过程比较缓慢。在这 种情况下，自然对流的产生会造成流体的扰动，因而显著增 强了换热，这就使得在层流时，自由流动的影响不能忽略。 考虑到上述影响，流体在层流时放热的准则方程式具有 下列形式： （1）当l/d≥50，且（Gr.Pr）＞8×105时
f w
0.14
（2）
层流的管长修正系数ε
l d
1 1.90 2 1.70 5 1.44 10 1.28 15 1.18
f
表1
30 1.05 40 1.02 50 l
20 1.13
f
知识点：层流状态的对流换热计算
（3）当(Gr.Pr)＜8×105时，层流换热可以用下式计算
d Nu f 1.86Re f Prf l
1 3 1 3 1 3
式中 d─管子直径，m； l─管长，m。 上式不能用于很长的管子，当管道太长时，d/l将趋近 于零。（2）式的定性温度和定型尺寸同（1）式。μ w是以 壁面温度tw作定性温度的动力粘滞系数。 由于层流的对流换热系数的数值很小，所以绝大多数的 换热设备都不是按层流范围设计的，只有在少数应用粘性很 大的流体的设备中才能见到层流流动。
0.3 Grf Pr w
0.25
（1）
利用上式可求出管道全程长度的平均换热系数。这个公 式适用于任何流体，并且也考虑了热流方向和自由流动的影 响。
知识点：层流状态的对流换热计算
上式是以流体的温度tf作为定性温度，以管子内径d作为 定型尺寸。对非圆形截面的流道，定型尺寸可采用当量直径 de。Prw是以壁面温度tw作定性温度的普朗特准则。 在管内作层流运动的流体为粘度较大的油类时，自然对 流被抑制，流动呈严格的层流状态。对于这种情况，式（1） 中的准则，此时求得的换热系数为层流时的最低值。 （2）当l/d ＜50时，对流换热系数可按式上式求出α 值 后再乘以管长修正系数ε f，其值可由表1查得。
知识点：层流状态的对流换热计算
雷诺数小于2300时流体在管内处于层流运动状态，由于 各部分之间换热靠导热方式，因此换热过程比较缓慢。在这 种情况下，自然对流的产生会造成流体的扰动，因而显著增 强了换热，这就使得在层流时，自由流动的影响不能忽略。 考虑到上述影响，流体在层流时放热的准则方程式具有 下列形式： （1）当l/d≥50，且（Gr.Pr）＞8×105时
f w
0.14
（2）
层流的管长修正系数ε
l d
1 1.90 2 1.70 5 1.44 10 1.28 15 1.18
f
表1
30 1.05 40 1.02 50 l
20 1.13
f
知识点：层流状态的对流换热计算
（3）当(Gr.Pr)＜8×105时，层流换热可以用下式计算
d Nu f 1.86Re f Prf l
1 3 1 3 1 3
式中 d─管子直径，m； l─管长，m。 上式不能用于很长的管子，当管道太长时，d/l将趋近 于零。（2）式的定性温度和定型尺寸同（1）式。μ w是以 壁面温度tw作定性温度的动力粘滞系数。 由于层流的对流换热系数的数值很小，所以绝大多数的 换热设备都不是按层流范围设计的，只有在少数应用粘性很 大的流体的设备中才能见到层流流动。
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。
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
对流换热PPT
流动边界层的厚度与流速、流体的运动粘度 和离平板前缘的距离x的关系
δcm
平板长度l (cm) 空气沿平板流动时边界层增厚的情况
x,空气速度 u 10m / s :
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
由牛顿粘性定律： u
y 速度梯度越大，粘滞应力越大。
边界层外： u在y方向无变化，
边界层过度的距离：
xc
临界雷诺数： Rec
惯性力 Rec 粘性力
u xc u xc
v
紊流边界层：
平板：Rec 2 105 ~ 3106; 取Rec 5105
为何是一个范围？
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁的一层薄层仍然会保 持层流特征，具有最大的速度梯度。
流动边界层的几个重要特征：
也必须有温差 （3）由于流体的黏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流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t w
q t W/m2
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t = t w t f
t
与t
层流：温度呈抛物线分布 紊流：温度呈幂函数分布
紊流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流
故：紊流换热 比Ty层流w,t换热 强Ty。w,L
层流靠流体导热换热，紊流依靠流 体微团脉动对流换热
与度
的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量和热
t
扩散的深
t
Pr
1 3
层流：0.6
Pr
50
壁面加热流体时热边界层的形成和发展
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。
第7章 对流换热
在相似理论指导下，建立与研 究对象相似的研究模型，在实 验室对模型进行研究，再把所 得结论推广到实际问题中。
一、相似的基本概念
1、几何相似
" " l1" l2 l3 ' ' Cl ' l1 l2 l3
Cl — 相似倍数（无量纲）
相似三角形
7.4 相似理论基础
2、物理相似
当两个物理现象相似时，在空间相对应的点与时间相对应的瞬 间，表征该现象特征的所有物理量必然各自保持一定的比例关系。
' ' w1'、w2、w3 —系统1各个对应时空点上的某一物理量； " " " w1、w2、w3 —系统2各个对应时空点上的某一物理量。
当系统一、系统二相似时，则有
w w w cw w w w
" 1 ' 1
" 2 ' 2
" 3 ' 3
7.1 对流换热概述 7.1.1 对流换热和牛顿冷却公式 牛顿冷却公式和换热系数
h(T f TW ) A hT A 或 q hT A W m 2 ℃
T f TW (或TW T f )
h
TW
流体与固体壁面的对流换热
式中, h 换热系数
对流换热的主要任务：
求解h具体表达式
7.1 对流换热概述 7.1.2 影响对流换热的主要因素
一、影响因素 1. 流动动力（起因）
自然对流换热 : 流速低, h小; 强迫对流换热 : 流速高, h大.
2. 流动状态
层流和湍流 :
Re , v , h .湍流时的h大于层流.
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。
第5章对流换热
应用条件：模型中发生旳现象与原型中发生旳现象 相同，才有可能应用于原型。
相同原理研究支配相同系统旳性质以及怎样用模型 试验处理实际问题旳一门科学，是进行模型试验旳 根据。但不是一种独立旳科学措施，只是试验和分 析研究旳辅助措施。
相同原理应用举例：汽车、飞机风洞试验
风洞试验旳基本原理是相对性原理和相同性原理。 根据相对性原理，汽车、飞机在静止空气中飞行所
8）量纲分析法——π定理
π定理旳内容：任一物理过程涉及有n个有量纲旳 物理量，如果选择其中旳r个作为基本物理量 ，则这一物理过程可由n个物理量构成旳n-r个 无量纲量所构成旳关系式描述。因这些无量纲 数是用π表示旳，故称为π定理。以数学形式可 表示如下。
设个物理量为x1、x2…… xn，则这一物理 过程可表达为一般函数关系式
0.034 0.0276
64.19W (m2 K )
准数 准数旳形式 准数旳物理涵义
Nu 努 赛 尔 特Nusselt
Nu=h·lc/λf
反应对流传热旳强弱 程度
Re 雷 诺 Reynolds
Re
lu
lu
流体流动形态和湍动 程度
Pr 普 兰 德 Prandtl
Pr cp
流体旳物理性质对对 流传热旳影响
热边界层厚度δt由流体中垂直于壁面上 旳温度 分布决定旳，与热扩散率α有关。
如果tW t 则热边界层不存在
5.1.2 相同原理
1、基本概念 1）同一类物理现象：用相同形式和相同内容旳微分
方程所描述旳物理量。 2）物理相同现象：同一类物理现象中，但凡相同旳
现象，在空间相应旳点上和时间相应旳瞬间，其 各相应旳物理量分别成一定旳百分比。
式中 h —平均对流传热系数，W/(m2K)； u —流体旳特征流速，m/s； d —管道直径，m； λ—导热系数 ρ —流体密度 cp —定压比热容 η — 动力粘度系数
相同原理研究支配相同系统旳性质以及怎样用模型 试验处理实际问题旳一门科学，是进行模型试验旳 根据。但不是一种独立旳科学措施，只是试验和分 析研究旳辅助措施。
相同原理应用举例：汽车、飞机风洞试验
风洞试验旳基本原理是相对性原理和相同性原理。 根据相对性原理，汽车、飞机在静止空气中飞行所
8）量纲分析法——π定理
π定理旳内容：任一物理过程涉及有n个有量纲旳 物理量，如果选择其中旳r个作为基本物理量 ，则这一物理过程可由n个物理量构成旳n-r个 无量纲量所构成旳关系式描述。因这些无量纲 数是用π表示旳，故称为π定理。以数学形式可 表示如下。
设个物理量为x1、x2…… xn，则这一物理 过程可表达为一般函数关系式
0.034 0.0276
64.19W (m2 K )
准数 准数旳形式 准数旳物理涵义
Nu 努 赛 尔 特Nusselt
Nu=h·lc/λf
反应对流传热旳强弱 程度
Re 雷 诺 Reynolds
Re
lu
lu
流体流动形态和湍动 程度
Pr 普 兰 德 Prandtl
Pr cp
流体旳物理性质对对 流传热旳影响
热边界层厚度δt由流体中垂直于壁面上 旳温度 分布决定旳，与热扩散率α有关。
如果tW t 则热边界层不存在
5.1.2 相同原理
1、基本概念 1）同一类物理现象：用相同形式和相同内容旳微分
方程所描述旳物理量。 2）物理相同现象：同一类物理现象中，但凡相同旳
现象，在空间相应旳点上和时间相应旳瞬间，其 各相应旳物理量分别成一定旳百分比。
式中 h —平均对流传热系数，W/(m2K)； u —流体旳特征流速，m/s； d —管道直径，m； λ—导热系数 ρ —流体密度 cp —定压比热容 η — 动力粘度系数
工程传热学第五章对流换热计算
大温差情况下计算换热时准则式右边要 乘以物性修正项 。 对于液体乘以 f w n
液 体 被 加 热 n=0.11 ， 液 体 被 冷 却 n=0.25( 物性量的下标表示取值的定性温 度) 对于气体则乘以: T f Tw
n
气 体 被 加 热 n=0.55 ， 气 体 被 冷 却 n=0.0 （此处温度用大写字符是表示取绝对温 标下的数值）。
qw w LT L 层流： t 0.055 Re Pr; t 0.07 Re Pr 热进口段长度： d d
L 紊流 : 50 d
热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变， 有
t f ( x) t 'f 4qw x cpumd
n m
准则的特征流速为流体最小截面处的最大流 速 umax ；特征尺寸为圆柱体外直径 d ；定性温 度除 Prw 按壁面温 tw 取值之外，皆用流体的主 流温度tf ；
Pr f Pr w
0.25
是在选用 tf 为定性温度时考虑热流方 向不同对换热性能产生影响的一个修 正系数。
如果流体流动方向与圆 柱体轴线的夹角（亦称 冲击角）在 30°- 90° 的范围内时，平均表面 传热系数可按下式计算
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re
um04） — — 过渡区 Re 10
层流流动
紊流流动
0
材料科学工程课程2-3 对流换热
热边界层：靠近壁面温度急剧变化的薄层 。
传热学
对流换热分析 （1）流体流经固体壁面时形成流体边界层，边界层内存 在速度梯度； （2）当形成湍流边界层，在此薄层内流体呈层流流动。 因此在层流内层中，沿壁面的法线方向上没有热对流，该 方向上热的传递仅为流体的热传导。 （3）在湍流主体中，流体质点剧烈混合并 充满了漩涡，湍流主体中的温度差(温度梯度) 极小，各处的温度基本上相同。
传热学
其它推导准数
Ga（Galilei伽利略）准数
2 2 3 2
gl u l gl Ga Fr. Re 2 . 2 2 u Gr（Grashot格拉晓夫）准数 ——浮力与粘性力之比
0 gl gwl Gr Ga. 2 t 2
平均换热系数
h
L
0
1 u 1 hx dx 0.332 Pr 3 L
L
0
dx 1 0.664 Pr 3 Re L 0.5 0.5 x L
Pr 普朗特数， Pr
传热学
3） 相似原理及量纲分析
通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然
是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而， 对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找 出众多变量间的函数关系，实验的次数十分庞大。 为了大大减少实验次数，而且又可得出具有一定 通用性的结果，必须在相似原理指导下进行实验。
3
3
传热学
(4)准数方程 以对流换热过程为例 准数方程的简化
f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo、Nu）=0 Nu =f（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo） K 流体运动方程：Eu =f（Re、Ho、Fr） K Pe =Re.Pr K 稳定速度场、稳定温度场： Ho、 Fo K 准数方程的一般形式：Nu =f（Re、Fr、Pr） 自由流动主要是由温差引起 Nu =f（Re、Gr、Pr） K 自然对流：Nu =f（Gr、Pr） 相同流体： Nu =f（Gr） K 强制对流：Nu =f（Re、Pr） 相同流体： Nu =f（Re）
对流换热
对于湍流边界层其中层流底层的热量转移靠导热而在底层以外的湍流区主要依靠旋涡扰动的对流混合作用对于导热系数不高的流体由于对流方式传递热量比导热方式强故湍流换热热阻主要取决于层流底层的导热过程边界层的温度梯度在层流底层最大而在湍流区变化平缓
上节课主要内容
• 1.温度场的概念
• 2.导热基本定律——傅立叶定律
（2）流体的物理性质 流体的物理性质主要指流体的导热系数、比热、密度、粘度等，它们对对流换热影响较 大。 流体的导热系数大，层流层的热阻小，对流换热增强；比热和密度大，说明单位体积能 携带更多的能量，故以对流作用转移热量的能力也大；粘性大的流体，粘性剪应力大，边界 层增厚，对流换热效果降低。但是，流体的物理性质对对流换热的影响不是单一的结果而是 综合的结果。 （3）放热表面的几何尺寸、形状和位置 由于壁面的几何因素会影响边界层的形成和发展以及温度场、速度场的状况，从而影响 了对流换热。
对于垂直夹层，如 P53 图 2-14 所示。由于靠近热壁的气体向上流动和靠近冷壁的气体向 下流动，冷热两流股的流动边界层将相互结合，在一段距离内形成环流，在整个夹层内可能 有若干个这样的环流。但当夹层的厚度 δ 与高度 h 之比较大（＞0.3）时，则冷热两壁的自由 流动边界层将不会互相干扰，环流不会出现，此时夹层可按无限空间自由运动换热计算。此 外如果两壁面温差和高度都很小，以致 Gr ＜2000，可以认为夹层内没有流动发生，则通过 夹层的热量应按纯导热计算。
无限空间流体自由运动换热时，相似准数之间的关系可表示为：
Num C(Gr Pr)mn ………………………………….（1）
准数的角码 m 表示取流体与壁面的平均温度作为定性温度 tm
tf
tw 2
。式中常数 C 及 n
上节课主要内容
• 1.温度场的概念
• 2.导热基本定律——傅立叶定律
（2）流体的物理性质 流体的物理性质主要指流体的导热系数、比热、密度、粘度等，它们对对流换热影响较 大。 流体的导热系数大，层流层的热阻小，对流换热增强；比热和密度大，说明单位体积能 携带更多的能量，故以对流作用转移热量的能力也大；粘性大的流体，粘性剪应力大，边界 层增厚，对流换热效果降低。但是，流体的物理性质对对流换热的影响不是单一的结果而是 综合的结果。 （3）放热表面的几何尺寸、形状和位置 由于壁面的几何因素会影响边界层的形成和发展以及温度场、速度场的状况，从而影响 了对流换热。
对于垂直夹层，如 P53 图 2-14 所示。由于靠近热壁的气体向上流动和靠近冷壁的气体向 下流动，冷热两流股的流动边界层将相互结合，在一段距离内形成环流，在整个夹层内可能 有若干个这样的环流。但当夹层的厚度 δ 与高度 h 之比较大（＞0.3）时，则冷热两壁的自由 流动边界层将不会互相干扰，环流不会出现，此时夹层可按无限空间自由运动换热计算。此 外如果两壁面温差和高度都很小，以致 Gr ＜2000，可以认为夹层内没有流动发生，则通过 夹层的热量应按纯导热计算。
无限空间流体自由运动换热时，相似准数之间的关系可表示为：
Num C(Gr Pr)mn ………………………………….（1）
准数的角码 m 表示取流体与壁面的平均温度作为定性温度 tm
tf
tw 2
。式中常数 C 及 n
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数 式中 Δ t—流体与壁面的温差，℃； F—对流换热表面面积，m2； α —对流换热系数，简称换热系数，W/m2.℃。 2.对流换热系数及意义 对流换热系数α 的大小反映对流换热的强弱，在数值上 等于当流体与壁面温差为1℃时，单位时间单位壁面面积上的 对流换热量。
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数 1.对流换热计算的基本计算公式 前面讲过，流体和固体壁面间的热量传递，称为对流换 热。对流换热是流体导热与对流综合作用的结果。 对流换热热流量采用牛顿冷却公式计算
tF
或写成
W
（1）
t t W 1 R F
（2）
1 R 称对流换热热阻；℃/W （3） F
ห้องสมุดไป่ตู้