各种对流换热过程的特征和计算公式
对流换热计算式
关系式返回到上一层以下汇总了工程中最常见的几类对流换热问题的对流换热计算关系式，适用边界条件，已定准则的适用范围，特征尺寸与定性温度的选取方法。
一、掠过平板的强迫对流换热应注意区分层流和湍流两种流态 ( 一般忽略过渡流段 ) ，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部 Nu 数和平均 Nu 数。
沿平板强迫对流换热准则数关联式汇总注意：定性温度为边界层的平均温度，即。
二、管内强迫对流换热(1) 流动状况不同于外部流动的情形，无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段，两者的长度差别很大。
计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。
(2) 换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段，只有在流体的 Pr 数大致等于 1 的时候，两个边界层的入口段才重合。
理解并准确把握两种典型边界条件 ( 恒壁温与恒热流 ) 下流体截面平均温度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。
(3) 准则数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件，因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。
还需要特别指出，绝大多数管内对流换热计算式 5f 对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用类比率关系式效果可能更好。
下表汇总了不同流态和边界条件下管内强迫对流换热计算最常用的一些准则数关联式。
(4) 非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。
层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。
常热流层流，充分发展段，常壁温层流，充分发展段，充-充分发展段，气体，-充分发展段，液体，；紊流，充分发展段，紊流，粗糙管紊流，粗糙管三、绕流圆柱体的强迫对流换热流体绕圆柱体流动时，流动边界层与掠过平板时有很大的不同出现脱体流动和沿程局部 Nu 数发生大幅度升降变化的根本原因。
横掠单根圆管的对流换热计算式还被扩展到非圆管的情形。
关联式：定性温度为主流温度，定型尺寸为管外径，速度取管外流速最大值。
各种对流换热过程的特征及其计算公式
各种对流换热过程的特征及其计算公式对流换热是指热量通过传导和传导的方式从一个物体转移到另一个物体的过程。
在许多工程和自然现象中，对流换热都起着重要的作用。
下面是各种对流换热过程的特征及其计算公式。
1.强制对流换热：强制对流换热是指通过对流传热介质（如气体或液体）的外力驱动，使热量从一个物体转移到另一个物体的过程。
其特征包括：-较高的传热速率：由于外力使传热介质保持流动状态，因此强制对流传热速率较高。
-计算公式：Q=h*A*(Ts-T∞)其中，Q是传热速率，h是对流换热系数，A是传热面积，Ts是表面温度，T∞是流体温度。
2.自然对流换热：自然对流换热是指在没有外力驱动的情况下，通过自然气流或自然对流传热介质（如气体或液体）进行热量传输的过程。
其特征包括：-由温度差引起的自然循环：由于温度差异造成的密度差异，导致气体或液体在物体表面形成循环，从而传热。
-计算公式：Q=α*A*ΔT其中，Q是传热速率，α是自然对流换热系数，A是传热面积，ΔT 是温度差。
3.相变换热：相变换热是指物体在相变过程中吸收或释放的热量。
其特征包括：-温度保持不变：当物体处于相变过程中时，温度保持不变，热量主要用于相变过程。
-计算公式：Q=m*L其中，Q是传热速率，m是物体的质量，L是单位质量的相变潜热。
4.辐射换热：辐射换热是指通过电磁辐射传播热量的过程。
其特征包括：-不需要传热介质：辐射传热不需要传热介质，可以在真空中传递热量。
-计算公式：Q=ε*σ*A*(Th^4-Tc^4)其中，Q是传热速率，ε是辐射率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，A 是物体表面积，Th和Tc分别是辐射物体和周围环境的温度。
总结：不同的对流换热过程具有不同的特征和计算公式。
在实际应用中，根据具体的情况选择适当的计算公式可以帮助我们准确计算和分析热量的传递过程。
要注意，实际的对流换热过程可能是多种换热方式的复合，需要综合考虑不同的换热方式。
第五章 对流换热概述
在x方向上流入的净热量
2t 2 dxdy y
u t ucptdy c p u dx t dx dy x x u t u t ucp tdy c p dy ut tdx udx dxdx x x x x u t u t c p t dxdy c p u dxdy c p dxdxdy x x x x
二、对流传热的基本公式 ( h 的确定方式)
q ht
W m2 Leabharlann qA hAt无滑移边界条件
W
t A y
y 0
令上两式相等则有
t Ah t A y
t h t y
y 0
则
y 0
§5-2
一、假设条件
对流换热问题的数学描述
为简化分析,对于常见影响对流换热问题的主要因素,做如 下假设: (1) 流动是二维的; (2) 流体为不可压缩的牛顿流体; (3) 流体物性为常数,无内热源; (4) 流速不高,忽略粘性耗散(摩擦损失) ; (5) 流体为连续性介质
v ~ 01 y
导数的数量级由因变量与自变量的数量级确定，所以
u ~ 01 x
a~02 的数量级为1，
这样可以对微分方程组进行简化(数量级一致）
u v 0 x y
1 1
2u 2u u u p u v 2 x y x x y 2
§5-3 边界层分析及边界层微分方程组
一.边界层的概念
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
热传递热量计算公式
热传递热量计算公式
热传递是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
热传递的计算可以通过多种公式来实现，具体取决于热传递的方式。
以下是一些常见的热传递计算公式：
1. 热传导（导热）的计算公式：
热传导是指热量通过物质内部传递的过程。
其计算公式可以用傅立叶定律来表示：
Q = -kAΔT/Δx.
其中，Q表示传导热量，k表示热导率，A表示传热面积，ΔT表示温度差，Δx表示传热距离。
2. 热对流的计算公式：
热对流是指热量通过流体（气体或液体）对流传递的过程。
其计算公式可以用牛顿冷却定律来表示：
Q = hAΔT.
其中，Q表示对流热量，h表示对流换热系数，A表示传热面积，ΔT表示温度差。
3. 热辐射的计算公式：
热辐射是指热量通过辐射传递的过程。
其计算公式可以用斯特藩-玻尔兹曼定律来表示：
Q = εσA(T₁^4 T₂^4)。
其中，Q表示辐射热量，ε表示发射率，σ表示斯特藩-玻尔兹曼常数，A表示辐射面积，T₁和T₂分别表示两个物体的绝对温度。
以上是一些常见的热传递计算公式，它们分别适用于不同的热传递方式。
在实际问题中，需要根据具体情况选择合适的公式进行计算。
流体无相变时的对流换热
Nu = c Re Pr 令 Re = const C ′ = c Re n
n m
lg Nu = lg C ′ + m ln Pr m可求，同理使 Pr = const
Nu lg 0.4 = lg C + n lg Re Pr C, n可得
Nu = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 （管内紊流）
如：强制对流换热和自然对流换热，虽然都是对流换热现象， 但它们不是同类现象。点场和温度场也不是同类现象。 两个物理现象相似时，其有关的物理量场分别相似。 重要性质：彼此相似的现象，它们的同名准则必定相等。
换热微分方程式：α = − 现象a： 现象b：
λ ∂t
∆t ∂y
y =0
α′ = − α ′′ = −
Pe′ = Pe′′ －－贝克利准则
uL νuL Pe = = = Pr⋅ Re a νa 对于自然对流，则须
(Pr⋅ Re)′ = (Pr⋅ Re)′′
Gr ′ = Gr ′′
－－格拉晓夫准则
βg∆tL3 Gr = ν2
几个准则的物理意义： 雷诺准则：反映流体的惯性力与粘滞力之比的相对大小。 格拉晓夫准则：反映流体的浮升力与惯性力的相对大小。 普朗特准则：反映流体的动量传递能力与能量传递能力的相对 大小。 努谢尔特准则：反映实际热量传递与导热分子扩散量传递的比 较；Nu越大，则换热越强。 Bi和Nu的区别： 1、λ不同。前者为固体，后者为流体 2、物理意义不同。 αL 公式Nu =
λ
３．相似准则之间的关系 Nu = f (Re, Pr) 紊流强制对象： 过渡区： Nu = f (Re, Pr, Gr ) 自然对流：
Nu = f (Pr,Gr )
其中：
对流换热公式汇总与分析
对流换热公式汇总与分析【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。
本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。
【关键词】对流换热类型公式适用范围对流换热的基本计算形式——牛顿冷却公式：q h(tt f)(W / m2 )w或 Am2上热流量h(t w t f)(W )上式中表面传热系数h 最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即h f (u, t w ,t f , ,c p , , , ,l )综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表 1 所示。
表 1 典型换热类型1.受迫对流换热1.1内部流动圆管内受迫流动内部流动换热非圆形管内受迫流动受迫对流换热外掠平板外部流动外掠单管外掠管束（光管；翅片管）无相变换热竖壁；竖管无限空间横管自然对流换热水平壁（上表面与下表面）对流换热有限空间夹层空间混合对流换热————受迫对流与自然对流并存垂直壁凝结换热凝结换热水平单圆管及管束外凝结换热相变换热管内凝结换热大空间沸腾换热沸腾换热管内沸腾换热（横管、竖管等）1.1.1 圆管内受迫对流换热(1) 层流换热公式西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为Nu f1.86 Re 1f / 3 Pr 1f / 3 ( d )1 / 3 (f )0.14lw或写成d 1 / 3f0.14Nu f1.86( Pe f l )( )w式中引用了几何参数准则d，以考虑进口段的影响。
l适用范围： 0.48 Pr 16700， 0.0044 (f )9.75 。
w定性温度取全管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径 d 。
如果管子较长，以致[(Re Pr d)1/ 3 ( f) 0.14 ]2lw则 Nu f 可作为常数处理，采用下式计算表面传热系数。
常物性流体在热充分发展段的Nu 是Nu f 4.36(q const)Nu f3.66(t w const)(2) 过渡流换热公式对于气体， 0.6Pr f1.5 ， 0.5T f1.5 ， 2300Re f 104。
传热学(第9章--对流换热)
— —
横向节距 纵向节距
23
9-3 流体有相变时的对流换热
一、凝结换热
1.特点：
——蒸汽和低于饱和温度的冷壁面相接触时会发 生凝结换热，放出凝结潜热。（如电厂中：凝汽 器和回热加热器内，管外蒸汽与管外壁的换热）
➢两种凝结方式：根据凝结液体依附在壁面上的形
态不同分.
tw ts
1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，
腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。
34
炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化
35
各种对流换热比较
液体对流换热比气体强；
对同一种流体，强制对流换热比自然对流换热强；
紊流换热比层流换热强；横向冲刷比纵向冲刷强；
有相变的对流换热比无相变换热强。
表9-5 各种对流换热平均换热系数的大致范围
换热系数 α[w/(m2.K)]
二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改 性处理，能在实验室条件下实现连续的珠状凝结，但在工 业换热器上应用，尚待时日。
26
2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素：
（1）蒸汽中含有不凝结气体的影响 ➢ 蒸汽中含有不凝结气体（如空气）时，即使含量极微，
也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在 液膜外侧聚集而形成一层气膜，使热阻大大增加，从而恶 化传热。
21
（1）管束排列方式的影响
s1
s1
s2
顺排
s2
叉排
叉排：换热系数大，但流动阻力大. 顺排：换热系数小，但流动阻力小.
22
s1
s1
s2
s2
顺排
叉排
（2）流动方向上管排数的影响
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系 数的影响直到20排以上的管子才能消失。
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。
工程热力学和传热学16对流换热计算
解： t 200 30 q裸管＝ 1700W m 2 1 1 10 q绝缘 t 50 30 200W m 2 1 1 10
4、尺寸为 100cm 80cm的大玻璃窗，玻璃厚 104cm, 0.762W (m K )。室 内空气与玻璃板的换热 系数 1＝10W (m 2 K )，室外空气与玻璃板的 换热系数 2 ＝20W (m 2 K )。室内空气温度为 20C，室外大气温度为－ 20C。试求通过该玻 璃窗的热流量Q和热流密度q。
tf1＝20°C q
α1 tt
w1
α2 tf2＝－20°C
tw2
1
1 2
1
教材P155 中（ 13 - 8式） ：k
1
1 是错误的。 2
1．火管锅炉炉胆的热流密度为48000Ｗ／ｍ２，钢板 制成的炉胆厚度为２０ｍｍ，试求其内外壁面的温差, 设:(1)炉胆两侧没有污垢；(2)在水的一侧积有1.5㎜ 厚的水垢；(3)在水的一侧积有1.5㎜，另一侧积有２ ㎜厚的烟灰。
2．蒸汽管的外径为108ｍｍ,管外包以λ＝0.1Ｗ/(m·K)的绝热材料,蒸汽温度为 330℃(由于蒸汽与管壁间的对流热阻和管壁的导热热阻要比绝热材料的热阻小得多, 可略去不计,所以可近似地认为绝热层内壁的温度等于蒸汽的温度)。若要使绝热层外 壁面的温度不超过40℃,每米管长的热损失不超过ql＝150Ｗ/m,试求绝热层的最小厚 度应为多少。 d 330 40 d （330 40） 2 0.1 1.215 解：qmin ln 2 ＝1.215 2 e d d1 150 d1 ln 2 d1 2 d2 1 d 2 d1 d1 e1.215 1 min＝ d1 0.108 ＝0.128m 2 2 2 解说：
各种对流换热过程的特征及其计算公式
多取截面平均流速。
定性温度：计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
1 ' " t f (t f t f ) 2
1。管内层流换热关联式
实际工程换热设备中，层流时的换热
常常处于入口段的范围。可采用下列齐德
－泰特公式：
Re f Pr f Nu f 1.86 l/d
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化
潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的
过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并 能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式， 称膜状凝结。
du y 时， dy
0, t t s
求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度： t m 2
注意：r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
对流换热那样朝同一方向流动。
一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层 之内。在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁面
的方向上逐步降低至周围环境温度。
定义： 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。 工程应用： 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热 产生原因： 不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运 动的动力。
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数PPT.
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
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数PPT.
tF
Байду номын сангаас或写成
W
（1）
t t W 1 R F
（2）
1 R 称对流换热热阻；℃/W （3） F
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。
对流换热系数及意义对流换热系数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
对流换热量计算公式
对流换热量计算公式对流换热是物体或空气内气体粒子之间相互间接接触而发生的热量交换过程。
它包括散射传播，比如温度差引起的热量传递，以及气体内的温度梯度能引起的热量传导现象。
由于温度梯度的影响，高温气体中的分子热和体积能释放出来，从而使得低温气体中的分子热和体积能增加，从而使低温气体向周围空气温度高的方向辐射热量，从而实现换热。
二、对流换热量计算公式对流换热量计算公式可以用来衡量对流换热的大小：Q=hA(T2-T1)，其中，Q是换热量，单位是W，h是换热系数，A是换热表面积，单位是m2，T1、T2分别为表面温度向量的温度值。
当换热的表面积A和温度差都是已知的时候，可以使用以上计算公式来计算换热量Q。
此时换热系数h通常被称为对流换热系数，对流换热系数又可以分为气体对流换热系数、液体对流换热系数和固体对流换热系数。
气体对流换热系数是指空气中气体的换热系数，用来衡量气体的换热能力。
由于气体的存在，空气中总有一个温度分布，温度越高的区域总是以一定的速率向温度越低的区域辐射热量，而这个热量辐射机制就是指气体对流换热的作用，也就是气体对流换热系数。
液体对流换热系数指的是液体中液体粒子间温度差引起的换热现象。
由于液体比空气有更大的密度，所以液体换热速度也比空气更快，因此液体对流换热系数也比气体对流换热系数要大。
固体对流换热系数指的是固体中固体粒子间温度差引起的换热现象。
由于固体的热传导性能比液体好，因此固体对流换热系数也比液体对流换热系数要大。
三、计算步骤1.首先，要计算对流换热量，就必须知道不同表面之间的温度差，以及换热表面积A，换热系数h；2.其次，建立热力学平衡模型，利用模型来计算换热量Q；3.最后，根据换热量和换热表面积来求得温度差。
四、注意事项1.在求解对流换热量时，一定要正确地估算换热表面积和对流换热系数，以精确地求出换热量；2.表面的表面粗糙或表面的湿度会影响对流换热，因此在计算过程中应考虑清楚；3.在计算过程中，也要考虑温度梯度本身也会随着温度而变化，温度梯度越大，温度差就越大，换热量也会越大。
对流换热
紊流 层流
紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。
3.流体有无相变： 相变 单相 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) 4.换热表面的几何因素：
对流换热
一、对流换热
1、概念： 流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。
y
tf u
u
q
tw
x
•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。
2、机理： 包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程
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）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动； 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
强制对流
圆管内强制对流换热 内部流动
其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
对 流 换 热
无 相 变
外部流动 大空间 自然对流 混合对流 大空间沸腾
外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热
有限空间
有 相 变
沸腾换热 凝结换热
管内沸腾 管内凝结 管外凝结
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t
w
W/m2
q t
t = t w t f
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 Q 1 F
对流换热的热阻为1/ F ，单位为K/W。 单位面积对流换热热阻为 1 ，单位为(m2· K/W)。
工程热力学与传热学_第十六章_各种对流换热过程的特征及其计算公式
对流换热那样朝同一方向流动。
一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层 之内。在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁面
的方向上逐步降低至周围环境温度。
定义： 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。 工程应用： 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热 产生原因： 不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运 动的动力。
多取截面平均流速。
定性温度：计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
1 ' " t f (t f t f ) 2
1。管内层流换热关联式
实际工程换热设备中，层流时的换热
常常处于入口段的范围。可采用下列齐德
－泰特公式：
Re f Pr f Nu f 1.86 l/d
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化
潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的
过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并 能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式， 称膜状凝结。
特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的
相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷
tw ts
却壁面上， 此时液膜成为主要的换热
热阻
g
(2)珠状凝结
定义：凝结液体不能很好地湿润壁 面，凝结液体在壁面上形成一个个 小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
g
tw ts
特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即 可传到冷却壁面上。
对流换热系数经验公式
对流换热系数经验公式
对流换热系数经验公式根据不同情况可以有多种表达方式。
以下是几种常见的对流换热系数经验公式：
1. 冷却水对流换热系数经验公式：
h = 0.023 * (Re^0.8) * (Pr^0.3) * (μ/μw)^0.14 * (λ/λw)^0.38 * λw/D
其中，h为换热系数（W/m^2·K），Re为雷诺数，Pr为普朗特数，μ为流体动力粘度（Pa·s），μw为水的动力粘度，λ为流体导热系数（W/m·K），λw为水的导热系数，D为特征尺寸。
2. 空气对流换热系数经验公式：
h = 10.45 - 7.45 * (V^0.33)
其中，h为换热系数（W/m^2·K），V为速度（m/s）。
3. 冷凝换热系数经验公式：
h = (m·l) / (A·ΔT)
其中，h为换热系数（W/m^2·K），m为冷凝质量流量
（kg/s），l为冷凝潜热（J/kg），A为换热面积（m^2），ΔT 为温度差（K）。
这些公式都是经验公式，需要根据具体的应用情况和实验数据进行修正和调整。
实际工程中，可能还有其他特定领域的经验
公式。
对于特定应用，最好根据实际情况进行实验或模拟研究，以获得更准确的换热系数。
对流换热
11
1）连续性微分方程（质量守恒） u v 0 x y 2）动量微分方程（动量守恒）
纳维(N. Navier)-斯托克斯(G. G. Stokes)方程
y
dy
微元体
0
dx
x
2 2 u u u p u u x方向: （ u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y
2 外掠平板层流换热分析结果
对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体纵掠 等壁温平板层流换热：
24
特征数关联式 对于Pr0.6的流体掠过等壁温平板层流换热 hx x Nux 是以 x 为特征长 1/2 1/3 Nu x 0.332 Rex Pr 度的局部努塞尔数 u x 平均表面传热系数h 为 Rex l l 1 1 1/2 1/2 2 C l 2hxl h hx dx C x dx l 0 l 0 平均努塞尔数: hl 2hl l Nu 0.664Re1/2 Pr1/3 Nu 2 Nu x l 注意：上述关系式仅适用于Pr0.6的流体外掠等壁 温平板层流换热，定性温度为边界层的算术平均温度 1 tm t w t 2
q w, x
t y w, x
根据牛顿冷却公式：
qw, x hx (t w -t ) W m 2
t hx t w t y w, x
hx 为局部表面传热系数
W (m C)
2
1 h hx dA（固体表面温度均匀时） A A
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假设： (a) 流体为连续性介质。
(b) 流体的物性参数为常数，不随温度变化。 (c) 流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声 速的流体可以近似为不可压缩性流体。 (d) 流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为 线性，遵循牛顿公式 ： u y (e) 流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热。 (f) 二维对流换热。
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）
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一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。 在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁面 的方向上逐步降低至周围环境温度。
定义： 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。
三、流体横掠圆管时的换热
1.流体横掠单管时的换热
外部流动：换热壁面上的流动边界层与热
边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存 在的限制。
横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方
向流过管子表面。流动具有边界层特征，还 会发生绕流脱体。
虽然局部表面传热系数变化比较复 杂，但从平均表面换热系数看，渐变规 律性很明显。 可采用以下分段幂次关联式：
一、无限空间自然对流换热
换热面附近流体的运动状况只取决于换热面的形状、尺寸 和温度，而与空间围护壁面无关，因此称为无限空间自然对流 换热。
根据自然对流换热原则性准则方程，工程中广泛 使用的是下列形式的关联式：
Nu C(Gr Pr) n
定性温度：tm (tw t ) / 2
特征长度：竖平板、竖圆柱为高度H，横圆柱 为外径d
2。
2. 管内过渡状态时的准则方程 在Ref=2300-104范围内，流动为过渡状态 查看P198表16-1
3. 管内紊流时的准则方程
实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：
Nu f 0.023 Re0f.8 PrfnεlεRεt
加热流体时 n 0.4
冷却流体时 n 0.3
式中: 定性温度采用流体平均温度 为管内径。
管内受迫对流换热实验关联式
管内受迫对流流动和换热的特征 （1）流动有层流和湍流之分
• 层流： Re 2300
• 过渡区： 2300 Re 10000
• 旺盛湍流： Re 10000
（2）入口段的热边界层薄，局部换热系数高。
层流入口段长度: l / d 0.05 Re Pr
湍流时:
l / d 60
工程应用： 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热
产生原因： 不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运 动的动力。
在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。 在贴壁处，流体温度等于壁面温度tw，在离开壁面的方向上逐步降 低，直至周围环境温 度t∞，如图5—26a所示。薄层内的速度分布 则有两头小中间大的特点。
流体沿竖壁自然对流的流动性质和 局部表面传热系数的变化
从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然对流换 热的准则方 程式 。 原则上自然对流换热准则方程式可写为：
式中Gr为格拉晓夫数 自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为Gr数
Gr格拉晓夫数是浮升力/粘滞力比值的一种度量。 Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。
参数C、n的选取查看相关表格
二、有限空间自然对流换热
自然对流亦有层流和湍流之分。 以一块热竖壁的自然对流为例，其自下而上的 流动景象示出于下图a。 在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的 层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍 流。
不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流 时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热 壁面下端开始，随着高度的增 加，层流薄层的 厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随 高度 增加而减小。
第一节 受迫对流换热
一、流体沿平壁流动时的对流换热
1。当Rem<5×105(层流）、Prm=0.5-50时，空气、水和油等
Num
1
0.664Rem2
Prm
1 3
定性温度
tm
1 (t 2
f
tw)
定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L
2。当Rem=5×105-107(紊流）、Prm=0.5—50时，空气、水 和油等
Nu f
1.86
Re l
f
/
Pr d
f
1/ 3
f
0.14
w
定性温度为流体平均温度 t f（ 按w壁温
确定）tw，管内径为特征长度，管子处于
均匀壁温。
实验验证范围为： Prf 0.48 ~ 16700,
f 0.0044 ~ 9.75， w
Re f Prf
l/d
1/
3
f
w
0.14
Nu C Ren Pr1/3
式中：定性温度为 (tw t ) / 2; 特征长度为管外径； Re 数的特征速度为来流速度 u。
2、流体横掠圆管束时的换热
第二节 自然对流换热
流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热 与流体在壁面 附近的由温度差异所形成的浮升力有关。不均匀的温度场造成 了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。
层流
湍流
（3）特征速度及定性温度的确定
特征速度：计算Re数时用到的流速，一般 多取截面平均流速。
定性温度：计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
tf
1 2
(t
f
'
t f
")
1。管内层流换热关联式
实际工程换热设备中，层流时的换热
常常处于入口段的范围。可采用下列齐德 －泰特公式：
第十六章 各种对流换热过程的特征及其计算公式
本章要点： 1。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算 2。着重掌握凝结、沸腾换热的基本概念及影响因素
本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算 凝结、沸腾换热的分析解
本章主要内容：
第一节 受迫对流换热 第二节 自然对流换热 第三节 蒸汽凝结换热 第四节 液体沸腾换热
定性N温u度m=(0.t0m3712R(etmf 0.8tw-8)50)Pr1/3
定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L
二、流体在管道内换热
入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高，且沿 着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋 于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设 备的换热。
t，f 特征长度
实验验证范围：
Re f 104～1.2105,
Prf 0.7～120,
l / d 60。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差 场合。
❖ 一般在关联式中引进乘数
❖ 在有换热条件下，截面上的温度并不均匀， 导致速度分布发生畸变。 ( f /w)n或（Prf / Prw)n
来考虑不均匀物性场对换热的影响。