第4章 对流传热的理论基础与工程计算PPT课件
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22
百度文库 ❖ 仍以水和空气作比较，常温下水的导热系数比 空气高大约二十几倍
❖ 20℃ ：水－0.599W/(m.K)；空气－ 0.0259W/(m.K)
❖ 从体积热容和导热系数二者来看：相同条件下 水的冷却能力必定大大强于空气
❖ 生活和工业中通常采用水作为冷却介质，夏天 游泳、冲凉，比较在水中和空气中的冷热感觉
然对流现象的发生 ❖ 体积膨胀系数主要影响自然对流传热 ❖ 与水相比，空气更容易发生自然对流
25
3 换热表面的形状、大小和位置
❖ 换热面的情况对换热强度也有不容忽视的影响 。
❖ 分析对流传热问题首先必须先区分对流换热问 题在几何特征方面的类型
作机械功，使管道中流体的动能和静压力提高 ，从而获得宏观速度。这种流动称为强迫对流 （forced convection） ❖ 又称为强制对流、受迫对流
10
❖ 二是由于流体中存在温度差，由此产生密度 差异从而导致浮升力引起流体的运动，称为 自然对流(natural convection)
❖ 流动成因不同，流体的速度不同，对流的剧 烈程度不同
❖ 3）本章的目标－如何计算表面传热系数
3
本章思路
❖ （a）定性介绍对流传热的基本概念，主要是分 类和影响因素
❖ （b）为定量分析，建立描述对流传热问题的数 学模型（类似于导热问题）
❖ （c）数学模型的简化，借助于边界层理论对数 学模型进行简化
❖ （d）如何用实验方法研究对流传热过程 ❖ （e）准则方程式及应用（经验关系式） ❖ （f）自然对流
11
❖ 流速越高，流体的掺混就越强烈，对流传热就 越强
❖ 强迫对流时的速度一般高于自然对流，强迫对 流传热的表面传热系数也多半高于后者
h强制 h自然
❖ 夏天，有风吹着比没风时感觉更凉快。 ❖ 风扇的转速
12
❖ 流态－流动的状态 ❖ 层流（laminar flow） ❖ 湍（紊）流（turbulent flow） ❖ 过渡流（transition region） ❖ 区分流体处于何种流态的特征数为雷诺数，记
热对流中起着举足轻重的作用 ❖ 物理意义－单位体积流体携带并转移热量的能
力大小 ❖ 体积热容越大，表明单位体积流体携带并转移
热量的能力越强
19
❖ 水和空气冷却能力的对比 ❖ ——常温下：水的体积热容量约等于4175kJ
／(m3·℃)，空气仅为1.21 kJ／(m3·℃)，两者 差数千倍！ ❖ ——一般用水作为冷却介质
7
hA thA twtf
❖ 表面传热系数h与导热系数λ不同，它不是一个 物性参数，而是一个过程量
❖ ——对流传热的类型不同、流体的种类、温度 不同、流速不同、壁面的形状和温度不同，表 面传热系数都是不同的
8
hA thA twtf
❖ 对流传热过程传热量的计算是非常简单的，但 确定h却不是一件容易的事
第4章 对流传热的理论 基础与工程计算
1
标题添加
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前言
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2
本章的几点说明
❖ 1）三种热量传递方式：热传导、热对流和热 辐射，而不是热传导、对流传热和热辐射
❖ 2）导热中：涉及到的对流传热作为边界条件 给出的，凡是涉及到表面传热系数h，均是作 为已知值给出的
4
❖ 作业： ❖ 习题4-1、4-9、4-11（6m，润滑油进口温
度改为40℃） ❖ 4-12、4-17、4-25、4-26（站立）
5
4.1 概述
❖ 4.1.1 对流传热的概念与计算
❖ 热对流——流体（气体或液体）中温度不同各 部分发生相互混合的宏观运动引起的热量传递 现象，以流体整体作为研究对象
23
❖ （3）粘度
❖ 流体的粘度是通过流态影响对流换热的强弱
R e ulc
❖ 粘度越大的流体，分子间的约束力就越强，相同流速 下越不容易发展成湍流状态
❖ 高粘度的油类较多地处于层流状态，表面传热系数一 般比较小
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（4）体积膨胀系数
V
1 v v T
p
1
T
p
❖ 式中，v为流体的比容，密度的倒数 ❖ 正是由于流体的密度随温度的变化才导致了自
16
❖ 注意！ ❖ ——不能将流动状态和流动的起因简单地一一
对应 ❖ 事实上，层流和湍流既可能发生在强迫流动中
，也可能发生在自然对流中
17
❖ 传热特点 ❖ 层流－热量传递主要依靠分子扩散作用 ❖ 湍流—热量传递除了导热外，更多地依靠热对
流作用
h湍流 h层流
18
2 流体的热物理性质 ❖ （1）密度和比热容 ❖ 密度和比热容的乘积称为流体的体积热容，在
为Re
Re ulc ulc
13
❖ 确定流态的实验（雷诺试验）
14
❖ 层流—流体只沿着与流道轴心平行的流线流动 ，或者说在轴线或沿表面方向上作规则的缓慢 分层运动，仅有非常微弱的横向（指和流速垂 直的方向）混合
15
❖ 湍流—流线处于不规则的状态，除了存在纵向 （流动方向）速度外，在流动截面上也存在横 向速度。流体内部存在强烈的涡旋运动，处于 充分的混合状态
❖ 热对流的机理 ❖ ——（1）流体分子间微观的导热作用 ❖ ——（2）流体微团间宏观的对流作用
6
❖ 对流传热——相对运动的流体与其温度不同的 壁面接触时，流体与壁面之间的热量传递过程
❖ 三个要素：流动着的流体、固体壁面、温差 ❖ 对流传热的计算公式为牛顿冷却定律
hA thA twtf
h A th A tf tw
20
❖ （2）导热系数 ❖ 对流换热过程中也包含有流体导热的作用 ❖ 流体导热系数的大小会直接影响流体内部的热
量传递过程和温度分布状态 ❖ 特别是对紧贴固体壁面的那部分流体来说，导
热系数更是起着关键的作用
21
❖ 紧贴固体壁面的流体相对于壁面来说是静止的 ❖ 显然，导热系数越大，对流换热过程越强烈
❖ 形式简单的牛顿冷却定律仅可作为表面传热系 数的定义，它把影响对流传热过程的一切复杂 因素归结到对流换热系数上
❖ 本章的目标——用理论或实验的方法具体给出 各种场合下h的计算关系式(经验半经验公式)
9
4.1.2 影响对流传热过程的因素
❖ 1 流动的影响—流动起因和流态 ❖ 使流体产生运动的原因： ❖ 一是通过外界施加强迫力，泵、风机对流体
百度文库 ❖ 仍以水和空气作比较，常温下水的导热系数比 空气高大约二十几倍
❖ 20℃ ：水－0.599W/(m.K)；空气－ 0.0259W/(m.K)
❖ 从体积热容和导热系数二者来看：相同条件下 水的冷却能力必定大大强于空气
❖ 生活和工业中通常采用水作为冷却介质，夏天 游泳、冲凉，比较在水中和空气中的冷热感觉
然对流现象的发生 ❖ 体积膨胀系数主要影响自然对流传热 ❖ 与水相比，空气更容易发生自然对流
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3 换热表面的形状、大小和位置
❖ 换热面的情况对换热强度也有不容忽视的影响 。
❖ 分析对流传热问题首先必须先区分对流换热问 题在几何特征方面的类型
作机械功，使管道中流体的动能和静压力提高 ，从而获得宏观速度。这种流动称为强迫对流 （forced convection） ❖ 又称为强制对流、受迫对流
10
❖ 二是由于流体中存在温度差，由此产生密度 差异从而导致浮升力引起流体的运动，称为 自然对流(natural convection)
❖ 流动成因不同，流体的速度不同，对流的剧 烈程度不同
❖ 3）本章的目标－如何计算表面传热系数
3
本章思路
❖ （a）定性介绍对流传热的基本概念，主要是分 类和影响因素
❖ （b）为定量分析，建立描述对流传热问题的数 学模型（类似于导热问题）
❖ （c）数学模型的简化，借助于边界层理论对数 学模型进行简化
❖ （d）如何用实验方法研究对流传热过程 ❖ （e）准则方程式及应用（经验关系式） ❖ （f）自然对流
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❖ 流速越高，流体的掺混就越强烈，对流传热就 越强
❖ 强迫对流时的速度一般高于自然对流，强迫对 流传热的表面传热系数也多半高于后者
h强制 h自然
❖ 夏天，有风吹着比没风时感觉更凉快。 ❖ 风扇的转速
12
❖ 流态－流动的状态 ❖ 层流（laminar flow） ❖ 湍（紊）流（turbulent flow） ❖ 过渡流（transition region） ❖ 区分流体处于何种流态的特征数为雷诺数，记
热对流中起着举足轻重的作用 ❖ 物理意义－单位体积流体携带并转移热量的能
力大小 ❖ 体积热容越大，表明单位体积流体携带并转移
热量的能力越强
19
❖ 水和空气冷却能力的对比 ❖ ——常温下：水的体积热容量约等于4175kJ
／(m3·℃)，空气仅为1.21 kJ／(m3·℃)，两者 差数千倍！ ❖ ——一般用水作为冷却介质
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❖ 表面传热系数h与导热系数λ不同，它不是一个 物性参数，而是一个过程量
❖ ——对流传热的类型不同、流体的种类、温度 不同、流速不同、壁面的形状和温度不同，表 面传热系数都是不同的
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hA thA twtf
❖ 对流传热过程传热量的计算是非常简单的，但 确定h却不是一件容易的事
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本章的几点说明
❖ 1）三种热量传递方式：热传导、热对流和热 辐射，而不是热传导、对流传热和热辐射
❖ 2）导热中：涉及到的对流传热作为边界条件 给出的，凡是涉及到表面传热系数h，均是作 为已知值给出的
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❖ 作业： ❖ 习题4-1、4-9、4-11（6m，润滑油进口温
度改为40℃） ❖ 4-12、4-17、4-25、4-26（站立）
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4.1 概述
❖ 4.1.1 对流传热的概念与计算
❖ 热对流——流体（气体或液体）中温度不同各 部分发生相互混合的宏观运动引起的热量传递 现象，以流体整体作为研究对象
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❖ （3）粘度
❖ 流体的粘度是通过流态影响对流换热的强弱
R e ulc
❖ 粘度越大的流体，分子间的约束力就越强，相同流速 下越不容易发展成湍流状态
❖ 高粘度的油类较多地处于层流状态，表面传热系数一 般比较小
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（4）体积膨胀系数
V
1 v v T
p
1
T
p
❖ 式中，v为流体的比容，密度的倒数 ❖ 正是由于流体的密度随温度的变化才导致了自
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❖ 注意！ ❖ ——不能将流动状态和流动的起因简单地一一
对应 ❖ 事实上，层流和湍流既可能发生在强迫流动中
，也可能发生在自然对流中
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❖ 传热特点 ❖ 层流－热量传递主要依靠分子扩散作用 ❖ 湍流—热量传递除了导热外，更多地依靠热对
流作用
h湍流 h层流
18
2 流体的热物理性质 ❖ （1）密度和比热容 ❖ 密度和比热容的乘积称为流体的体积热容，在
为Re
Re ulc ulc
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❖ 确定流态的实验（雷诺试验）
14
❖ 层流—流体只沿着与流道轴心平行的流线流动 ，或者说在轴线或沿表面方向上作规则的缓慢 分层运动，仅有非常微弱的横向（指和流速垂 直的方向）混合
15
❖ 湍流—流线处于不规则的状态，除了存在纵向 （流动方向）速度外，在流动截面上也存在横 向速度。流体内部存在强烈的涡旋运动，处于 充分的混合状态
❖ 热对流的机理 ❖ ——（1）流体分子间微观的导热作用 ❖ ——（2）流体微团间宏观的对流作用
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❖ 对流传热——相对运动的流体与其温度不同的 壁面接触时，流体与壁面之间的热量传递过程
❖ 三个要素：流动着的流体、固体壁面、温差 ❖ 对流传热的计算公式为牛顿冷却定律
hA thA twtf
h A th A tf tw
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❖ （2）导热系数 ❖ 对流换热过程中也包含有流体导热的作用 ❖ 流体导热系数的大小会直接影响流体内部的热
量传递过程和温度分布状态 ❖ 特别是对紧贴固体壁面的那部分流体来说，导
热系数更是起着关键的作用
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❖ 紧贴固体壁面的流体相对于壁面来说是静止的 ❖ 显然，导热系数越大，对流换热过程越强烈
❖ 形式简单的牛顿冷却定律仅可作为表面传热系 数的定义，它把影响对流传热过程的一切复杂 因素归结到对流换热系数上
❖ 本章的目标——用理论或实验的方法具体给出 各种场合下h的计算关系式(经验半经验公式)
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4.1.2 影响对流传热过程的因素
❖ 1 流动的影响—流动起因和流态 ❖ 使流体产生运动的原因： ❖ 一是通过外界施加强迫力，泵、风机对流体