传热学课件-第五章 对流传热的理论基础-69页PPT资料
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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]
分别写出微元体各方向的质量流量分量：
X方向： Mx udy
MxdxMxM xxdx 单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：
M xM xdx M xxd x( xu)d xd y
大空间自然对流
层流 紊流
有限空间自然对流 层流
紊流
管内强制对流换热 流体横掠管外强制对流换热 流体纵掠平板强制对流换热
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 递
根据傅里叶定律：
10 4
（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
(4) 换热表面的几何因素：
内部流动对流换热：管内或槽内
3 对流换热的基本计算式
牛顿冷却式:
Φ h(tA w t )W
qΦ A
h(tw tf ) Wm2
4 表面传热系数（对流换热系数）
hΦ(A (twt))W(m 2C)
h —— 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 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核
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。
● 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。
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。
同理，单位时间内、沿 y 轴方向流入微元
体的净质量：
MyMydyM yydy(yv)dxdy
单位时间内微元体内流体质量的变化:
(dxd)ydxdy
微元体内流体质量守恒(单位时间内)：
流入微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化
即： (xu)dxd(yyv)dxdydxdy
(u) (v) 0 x y
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(mC)]
运动粘度 [m2 s]
比热容 c[J (kgC)] 密度 [kg m3]
动力粘度 [Ns m2] 体胀系数 [1K]
1vΒιβλιοθήκη Baiduvp1T p
h (流体内部和流体与间壁导面热热阻) 小
、ch (单位体积流体能携 多带 能更 量 )
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
（Laminar flow
） 湍流：流体质点做复杂无规则的运动 （紊流）（Turbulent flow）
Re 2200
层流
2200
Re
10 4
过渡流
Re
心问题
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
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
对于二维、稳态流动、密度为常数时：
u v 0 x y
连续性方程
2 动量守恒方程
动量微分方程式描述流体速度场，可以从微元体的动 量守恒分析中建立
牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力的总和等于 控制体中流体动量的变化率
作用力 = 质量 加速度（F=ma）
作用力：体积力、表面力
体积力: 重力、离心力、电磁力 表面力: 由粘性引起的切向应力及法向应力，压力等
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
§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
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）
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 与h
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。
h (有碍流体流动、不 热利 对于 流 ) 自然对流换热增强
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
hf(v,tw ,tf,,cp,,,,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
沸腾换热 相变对流换热
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾 珠状凝结 膜状凝结
单相 对流 换热
自然对流 混合对流 强制对流
q t
y y=0
t y y0 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
t
h t y y0
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
分别写出微元体各方向的质量流量分量：
X方向： Mx udy
MxdxMxM xxdx 单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：
M xM xdx M xxd x( xu)d xd y
大空间自然对流
层流 紊流
有限空间自然对流 层流
紊流
管内强制对流换热 流体横掠管外强制对流换热 流体纵掠平板强制对流换热
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 递
根据傅里叶定律：
10 4
（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
(4) 换热表面的几何因素：
内部流动对流换热：管内或槽内
3 对流换热的基本计算式
牛顿冷却式:
Φ h(tA w t )W
qΦ A
h(tw tf ) Wm2
4 表面传热系数（对流换热系数）
hΦ(A (twt))W(m 2C)
h —— 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 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核
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。
● 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。
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。
同理，单位时间内、沿 y 轴方向流入微元
体的净质量：
MyMydyM yydy(yv)dxdy
单位时间内微元体内流体质量的变化:
(dxd)ydxdy
微元体内流体质量守恒(单位时间内)：
流入微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化
即： (xu)dxd(yyv)dxdydxdy
(u) (v) 0 x y
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(mC)]
运动粘度 [m2 s]
比热容 c[J (kgC)] 密度 [kg m3]
动力粘度 [Ns m2] 体胀系数 [1K]
1vΒιβλιοθήκη Baiduvp1T p
h (流体内部和流体与间壁导面热热阻) 小
、ch (单位体积流体能携 多带 能更 量 )
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
（Laminar flow
） 湍流：流体质点做复杂无规则的运动 （紊流）（Turbulent flow）
Re 2200
层流
2200
Re
10 4
过渡流
Re
心问题
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
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
对于二维、稳态流动、密度为常数时：
u v 0 x y
连续性方程
2 动量守恒方程
动量微分方程式描述流体速度场，可以从微元体的动 量守恒分析中建立
牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力的总和等于 控制体中流体动量的变化率
作用力 = 质量 加速度（F=ma）
作用力：体积力、表面力
体积力: 重力、离心力、电磁力 表面力: 由粘性引起的切向应力及法向应力，压力等
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
§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
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）
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 与h
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。
h (有碍流体流动、不 热利 对于 流 ) 自然对流换热增强
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
hf(v,tw ,tf,,cp,,,,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
沸腾换热 相变对流换热
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾 珠状凝结 膜状凝结
单相 对流 换热
自然对流 混合对流 强制对流
q t
y y=0
t y y0 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
t
h t y y0
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