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1、第六章 对流换热 Convection heat transfer w61 对流换热及牛顿公式 w62 放热系数及影响因素 w63 相似理论概述 w64 某些对流换热情况下的准则方程式 w65 量纲分析法 1/94 6-1 对流换热概述 1.对流换热过程 对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之 间的热量传递过程。 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 2/94 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 以简单的对流换热过程为例
2、，对对流换热过程的 特征进行粗略的分析。 图表示一个简单的对流 换热过程。流体以来流 速度u和来流温度t流 过一个温度为tw的固体 壁面。选取流体沿壁面 流动的方向为x坐标、 垂直壁面方向为y坐标 。 y t u tw qw x t ，u t tw 3/94 由于固体壁面对流体分 子的吸附作用，使得壁 面上的流体是处于不流 动或不滑移的状态。 在流体的粘性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面 的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐 步变化到来流的速度值。 同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用 下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而 带到下游（热对流），因而也导致紧靠壁面处
3、的流 体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。 4/94 y t u tw qw x t ，u t tw 5/94 根据1904年普郎特提出的边界理论，流体沿 着壁面的流动可以分为两个区域：一个是紧靠壁 面的区域，称为边界层。边界层内流体的内摩擦 力（粘性力）不容忽视；另一个区域是边界层以 外的主流区域，在主流区域，内摩擦力可以忽略 不计，因此，对边界层以外的流体流动，可以应 用理想流体伯努利方程。 根据流体力学的内摩擦力定律，粘性流体流 过固体表面时，单位面积上的内摩擦力，可由下 式计算 6/94 通常当动力粘性系数 较小；垂直于壁面方向的 速度梯度 较大时，才能 产生较明显的内摩擦力。 若用精
4、密仪器测量壁面法 线方向上的速度场，则可 得到如图所示的速度分布 曲线。 7/94 y 从图中可以看出：流速u沿着Y轴递增， 由零而逐渐接近u ，(指边界层外的主流流 速)，流速剧烈变化的这个薄层就称为边界 层(也称为速度边界层或流动边界层)。其厚 度以表示。在边界层范围内，存在着较明 显的内摩擦力。显然，在y 的区域，流 体流速均等于u 。准确地确定流速达到u 的位置是困难的，通常把 处的离 壁面垂直距离定为边界层厚度。 8/94 当流体流过平板时，边界层的形成有一 个过程。流体以u ，流入平板前缘时，沿着 x 方向，边界层厚度逐渐增加，在达到 xc 距 离以前，边界层中流体的流动为层流，故
5、称 为层流边界层。 9/94 在xc以后，随着边界层厚度的增加，边界层 中流动将转变为紊流，称为紊流边界层。由层流 边界层转变到紊流边界层的距离xc称为临界距离 。xc的数值由临界雷诺数 Rec确定，对于平板， 取决于壁面的粗糙度及主流的扰动程度，一般取 Rec =5105。 实际上在 xc以后，还存在一个由层流边界层 过渡到紊流边界层的过渡区。即使在紊流边界层 中，紧贴着壁面的极薄层流体，由于内摩擦力大 ，流动仍维持层流状态，这层极薄的流体层称为 层流底层，它的厚度以 c表示，区域内存在 着极大的速度梯度,c随着 u的增加而减小。 10/94 综合上述可知边界层厚度很薄，在边界层内沿 壁面法
6、线方向，流体的速度梯度最大，只有在 边界层内才能观察到流体的粘性影响。 对流边界层的概念，推广应用于对流换热过程 ，可得到热边界层的概念。当流体流经与流体 温度不同的壁面时，流体与壁面之间就会发生 热量传递现象。 图33 示出了在放热过程中，流体沿壁面法 线方向上温度变化情况。纵座标Y表示离壁距 离，横座标t，表示流体温度。 11/94 当Y=0时，流体温度等于壁 温，随着离壁距离的增加 ，流体温度降低(当固体壁 加热流体时)或升高(当流 体加热固体壁时) ，直到 等于主流温度，所以紧贴 着壁面的这一流体，它的 温度由壁面温度变化到主 流温度，这一流体层就称 为热边界层，也称为温度 边界层，其
7、厚度以 t表 示。 tw tw tf tf y y 12/94 在流动边界内，速度梯度具有显著的变 化，而在热边界层内，温度梯度 也有显著 的变化。在热边界层以外，温度梯度可以 视为零，流体的温度就为主流温度tf，所 以边界层内温度梯度较大，故热边界层是 对流换热的主要区域。 应当指出热边界层厚度t不一定等于 流动边界层厚度，它们之间的相互关系 ，主要取决于流体的性质。 13/94 边界层的状况与对流换热是密切相关的。在层流边 界层中，沿壁面法线方向没有对流，在这方向上的 热量传递，仅依靠流体的导热，因而此时对流换热 较弱。在紊流边界层中，层流底层内的热量传递方 式仍是导热，但在层流底层以外存
8、在着对流，因而 对流换热就较强，所以对流换热实际上是由流体的 导热和对流所组成的传热。同一种流体在相同温差 下，流过同一壁面时，层流底层的厚度愈薄，对流 换热强度就愈强。 14/94 根据流体运动产生的原 因，对流换热可分为自然 对流换热和受迫对流换热 两种。自然对流换热是由 于壁面对流体局部加热(或 冷却)所引起的，受热的那 部份流体因密度减小而上 升，附近密度较大的冷流 体就流过来补充，这样就 发生了热量传递现象。如 暖气片在屋内散热及冲天 炉炉壳散热等，都是自然 对流换热的实例。 15/94 若流体掠过壁面的运动是由外界机械力 ( 例如水泵或风机)的作用而发生，则流体 与壁面间的对流换热
9、称为受迫对流换热。 在冲天炉密筋炉胆内，空气由鼓风机所驱 动，因而密筋炉胆内的、空气受热过程就 是受迫对流换热的实例。但是自然对流换 热和受迫对流换热有时却不能截然分开， 在受迫对流换热中也包含有自然对流换热 的现象。只是在此情况下，自然对流换热 强度很弱广可予以忽视。 16/94 流体与壁面之间的对流换热与流体的物理 特性、速度、温度和流动空间大小有关，又与 壁面温度、形状、大小和放置情况等有关。影 响对流换热的因素是很多的。为了便于分析和 计算，在综合前人大量实验的基础上，牛顿于 1702车提出了对流换热的计算公式牛顿公 式 W 17/94 牛顿公式指出：对流换热的热流量正比于壁面 换热面
10、积A和流体与壁面之间的温度差t，若壁 面温度以tw表示，流体主流温度以tf表示(为了 简便起见，以后将流体主流温度简称流体温度) ，当壁面加热流体时,t= tw - tf ，当流体加热壁 面时， t= tf tw。 牛顿公式中比例常数h 称为换热系数，其单位为 Wm2. ，它表明当流体与壁面间的温度差为 1时，在单位时间内，通过单位面积的热量。 换热系数值h的大小，反映出对流换热过程的强 弱程度。 18/94 牛顿公式也可改写为 式中， 为对流换热热阻, 运用牛顿公式进行对流换热计算的关键在于 如何确定换热系数。因而求取对流换热系数 就成为研究对流换热的主要课题之一。 19/94 62 换热系
11、数及影响因素 在牛顿公式中引进了换热系数这个概念，它对分 析和讨论传热以及拟订增强或削弱传热措施等方面 将有很大意义。但牛顿公式实质上只是换热系数h 的定义式，它丝毫没有对对流换热提供出任何本质 性的简化，只不过把对流换热过程的一切复杂因素 和计算上的困难都转移到换热系数上去了，因此影 响对流换热的因素也都影响h 。因为对流换热与边 界层密切相关，因而影响边界层的各种因素也必然 影响换热系数。因此换热系数h是流体速度u，温度 ，tf，物性量 、 cp 、 、 及壁面温度tw、相 关尺寸l1、l2等的函数。 则h =f(u, tw , tf , , cp, l1, l2 )。 20/94 流体流
12、速u增高，层流底层厚度c就变薄， 因此在层流底层中的流体导热热阻也就减小，导 热增强；此外，当流体流速u增高时，流体内部 相对位移加剧，因此流体内部的对流也较激烈， 由于对流换热是由层流底层的导热和流体内部对 流所组成，所以当流体流速u增高时，对流换热 就激烈，换热系数h就大。 一、 流体流速u 21/94 虽然提高流体流速u能增强换热，但提 高流体流速却增加了流体流动的阻力，根 据流体力学知识，阻力与流速平方成正比 ，若采用泵或风机来驱动流体流动，则泵 或风机就要消耗更多的能量，因此在工程 上并不是片面地利用流速愈高换热愈激烈 的特点，而是综合考虑提高流速后，随着 换热系数的增加能量消耗也增
13、加这种情况 ，选取适当的流体流速，这一流速称为 经济流速。 22/94 1、流体导热系数 导热系数大的流体，在层流底层厚度相 同时，层流底层的导热热阻就小，因而对流换 热系数就大。如水的导热系数是空气的20多倍 ，因而水的换热系数远比空气为高。 二、 流体的物性量 23/94 2、流体的比热c和密度 c一般称为单位容积热容量，用以表示单位 容积的流体当温度改变1 时所需的热量， c愈大，即单位容积流体温度变化1所需的 热量就愈多，也就是它载热的能力就愈强； 因而增强了流体与壁面之间的热交换，提高 了换热系数h 。 例如常温下水的c约为 4186kJm3， 而空气的约为 1.0465kJm3 ，
14、两者相 差悬殊，因而它们的换热系数相差很多。 24/94 3、流体的粘性 流体的粘性愈大，则流体流过壁面时的 粘滞作用就大，在相同的流速下，粘性大的 流体，其层流底层的厚度就较厚，因此减弱 了对流换热，即换热系数较低。 在考虑流体的物性量对换热系数h的影响时， 应同时考虑各物性量的综合影响，如单纯只 考虑它的某一物性量的影响有时会导致错误 的结论。（如水与空气） 25/94 因流体的物性量总是随温度而变化 的，所以换热系数h还与壁面温度、流体 温度，以及热流的方向等有关。 26/94 三、 壁面的几何尺寸、形状和位置 w 在对流换热时，流体沿着壁面流过，所以 壁面的几何尺寸和位置对流体的流动有
15、很大影 响，从而也就影响对流换热。例如在自然对流 换热时，流体受热上升，所以若热表面朝下， 就会抑制自然对流换热，流体换热系数h就要 减小。因而，暖气片一般都垂直于地面放置， 其筋片顺着气流方向。冲天炉密筋炉胆内的筋 也是顺着气流方向设置的，这样既可增强壁面 与空气之间的热交换，又不致使阻力显著增加 。 27/94 例如：炉墙和管道表面对外散热 空气自然对流换热系数h大约为612Wm2 。 空气受迫对流换热系数h通常是 12 120Wm2 。 房屋墙壁外表面在受风力吹拂的时候，它的 换热系数约为内壁换热系数的8倍。 水层流时换热系数h约为600 2330Wm2。 紊流时一般可达到3500 93
16、00W/ m2。 各种不同情况下的h值可以相差很大 28/94 影响对流换热的因素也都影响换热系数，所 以对对流换热过程的研究分析或计算的关键就 在于确定换热系数h。如何根据具体条件来确定 h值，是一个很复杂的问题。常用的换热系数h 的计算式，一般都是采用数学分析和实验研究 相结合的方法整理出来的，也就是首先分析所 研究的对流换热现象，运用相似理论的积分类 比法或相似转换法等，把对流换热的影响因素( 物理量)及其函数关系，变为由某些物理量组成 的无因次准则之间的函数关系，然后通过实验 ，整理得出该对流换热情况下准则之间的具体 函数形式准则方程式，供与其相似现象的 分析或计算时用。 29/94 相似理论把数学解析法和实验法这两种方 法结合在一起，是一种指导实验的理论，它
