传热学传热学 / / 对流换热对流换热第六章 对流换热传热学传热学 / / 对流换热对流换热本章教学内容6-0 有关概念6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数6-2 影响对流换热的主要因素6-3 对流换热微分方程组6-4 对流换热的无量纲准则6-5 自然对流换热的计算6-6 强制对流换热的计算传热学传热学 / / 对流换热对流换热自然界中的种种对流现象强制对流与自然对流电子器件冷却沸腾换热原理空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程 传热学传热学 / / 对流换热对流换热流体中（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 自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导 Ø热对流（Convection）流体流过与其温度不同的固体壁面时发生的热量传递 过程既有热对流，也有导热不是基本传热方式Ø对流换热传热学传热学 / / 对流换热对流换热1) 暖气管道；2) 电子器件冷却；3)内燃机气缸、活塞的冷却 对流换热的实例传热学传热学 / / 对流换热对流换热ü 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ü 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须 有温差ü 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。
对流换热的特点传热学传热学 / / 对流换热对流换热对流传热过程分类传热学传热学 / / 对流换热对流换热6-0 有关概念传热学传热学 / / 对流换热对流换热一、实际流体的粘性和运动状态 （一）实际流体的粘性 1、粘性 是指流体流动时流体内部产生内摩擦力的性质• 体现流体内摩擦力及粘性作用的实验由于各层流体之间的速度不同，相互间就存在着相对滑动， 即流体发生了剪切变形，于是各层之间产生出一种抵抗变形 的力，称为内摩擦力或粘性力传热学传热学 / / 对流换热对流换热2、牛顿内摩擦定律流体运动所产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速 度梯度成正比，与接触面的面积成正比，并与流体的物理 性质有关3、表示流体粘性大小的物性指标动力粘度 µ ，单位 kg/(ms)运动粘度ν，单位 m2/s粘性是流体的一种物理属性，µ或ν的大小与流 体种类有关对同一流体，其值又随温度而异传热学传热学 / / 对流换热对流换热（二）实际流体的运动状态 1、雷诺实验1883年，雷诺在有水流动的玻璃管进口处注入有颜色的 液体后发现的现象传热学传热学 / / 对流换热对流换热2、层流和湍流层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。
特点：流体具有明显分层流动现象，相邻两层之间不存 在流体微团的混杂，而只有分子间的相互交换湍流（紊流）：流体质点做复杂无规则的运动特点：流体在流动的垂直方向上出现明显而不规则的混 杂现象传热学传热学 / / 对流换热对流换热3、临界速度两种流动状态相互转换时的流体流动速度——临界速度——管道直径——运动粘度——临界雷诺数传热学传热学 / / 对流换热对流换热4、雷诺数和临界雷诺数雷诺数Re定义式：临界雷诺数Rec：速度等于临界速度时的雷诺数• 临界雷诺数Rec可作为判别层流、湍流的依据Re Rec (上) : 湍流Re的值界于上、下临界雷诺数之间时，流体处于层流到湍流的过渡状态，这一区域称为过渡区传热学传热学 / / 对流换热对流换热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）而减薄层流底层湍流核心传热学传热学 / / 对流换热对流换热二、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，见右图传热学传热学 / / 对流换热对流换热3、速度边界层定义把紧靠壁面、速度变化比较剧烈的流体层叫做速度（流动）边界层• 理想流体：在速度边界层外，速度梯度等于零，粘性力 等于零这样的流体称为理想流体传热学传热学 / / 对流换热对流换热（二）热边界层（温度边界层）1、热边界层的形成原因流体流过壁面时，如果流体与壁面之间存在温差而进行对流换热，沿壁面法线方向流体的温度从壁面温度变到主流温度近壁流体中温度梯度的存在，说明流体与壁面之间有热量的传递（导热）传热学传热学 / / 对流换热对流换热2、热边界层图，见下图3、热边界层定义对流换热时壁面附近出现一层温度变化比较剧烈的流体层，这一流体层叫做热（温度）边界层传热学传热学 / / 对流换热对流换热（三）对流换热强度与流体运动状态的关系（1）流体静止时，完全依靠导热，此时dt/dy最大；(只有热边界层）（2）层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较弱；（有热边界层和层流速度边界层）（3）湍流状态时，对流很强，导热可忽略， dt/dy很小；在壁面附近的层流底层，此处主要依靠导热， dt/dy较大。
有热边界层、湍流速度边界层及层流底层）传热学传热学 / / 对流换热对流换热（四）热边界层厚度与热阻的关系热边界层越薄，其热阻越小，换热越强五）边界层的特点1、热边界层和速度边界层的厚度很小；2、边界层内速度梯度和温度梯度很大；3、引入边界层后，流动区域可分为边界层区（粘性流体）和主流区（理想流体）；4、边界层内亦有层流和湍流两种状态传热学传热学 / / 对流换热对流换热6-1 牛顿冷却公式和表面传热系数传热学传热学 / / 对流换热对流换热热流体被冷却：式中：Q ── 对对流传热传热 速率，W；h ── 对对流传热传热 系数，W/(m2·℃)；Tw，tw ── 热热流体，冷流体侧侧壁温，K或者℃；Tf，tf ── 热热、冷流体平均温度，℃；A ──传热传热 面积积，m2冷流体被加热：一、对流传热基本方程——牛顿冷却定律传热学传热学 / / 对流换热对流换热二、表面传热系数 h——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h 是一个表征对流换热强弱的非物性参数h 受诸如流速、流体物性参数、固体的形状和位置等许多因素的影响。
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题传热学传热学 / / 对流换热对流换热h 只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示与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h的表达式影响对流换热的因素，由newton公式转换为影响对流 换热系数的因素h不是物性参数，是受多种因素影响的复杂杂函数传热学传热学 / / 对流换热对流换热6-2 影响对流换热的主要因素传热学传热学 / / 对流换热对流换热Ø 引起流动的原因 Ø 流动状态 Ø 流体的物性 Ø 是否发生流体相变 Ø 传热面的形状、大小和位置对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动 时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程， 因此它必然与下列因素有关： 影响对流传热系数的因素：传热学传热学 / / 对流换热对流换热一、流体的动力（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 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生 的流动 传热学传热学 / / 对流换热对流换热自然对流其流动速度除决定于受热或冷却的强度外，还与流体性质、空间大小、换热壁面的位置等有关。
强制对流的速度决定于外力所产生的压差、流体的性质和流道的阻力传热学传热学 / / 对流换热对流换热二、流体的运动状态层流时，热传递主要依靠互不相干的流层之间的导热；湍流时，在紧贴壁面的层流底层之外，流体沿壁面法线方向产生热对流作用而使热传递增强雷诺实验传热学传热学 / / 对流换热对流换热三、流体的物理性质1、导热系数 λ [w/(m. ℃)] λ↑(流体内部和流体与壁面间导热热阻小）→h↑2、密度 ρ [kg/m3]3、比热热容 c [J/(kg. ℃ )ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑4、动动力粘度 µ [N.s/m2]、运动动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s] µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓5、体膨胀胀系数 α [1/k]α ↑（自然对流换热增强）→h↑传热学传热学 / / 对流换热对流换热四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束 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传热学传热学 / / 对流换热对流换热五、 流体有无相变（流体相变）：单单相换热换热 Single phase heat transfer： 相变换热变换热 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。
传热学传热学 / / 对流换热对流换热前4类影响因素构成将对流换热进行分类的基架，流体的物性将通过一个特殊的无量纲数来专门予以反映六、归纳传热学传热学 / / 对流换热对流换热七、对流换热的分类(classification)传热学传热学 / / 对流换热对流换热八、研究对流换热的方法分析 解法 实验法 比拟法 数值 解法 采用数学分析求解的方法，有指导意义 通过大量实验获得表面传热系数的计 算式，是目前的主要途径通过研究热量传递与动量传递的共性，建 立起表面传热系数与阻力系数之间的相互 关系，限制多，范围很小与导热问题数值思想类似，发展迅速， 应用越来越多1.获得 h 的方法传热学传热学 / / 对流换热对流换热2.如何从获得的温度场来计算 h无论是分析解法还是数值法首先获得都是温 度场，如何由 T→h ？由傅里叶定律 牛顿冷却公式 传热学传热学 / / 对流换热对流换热3.注意上式与导热问题IIIBC的差别(1)导热问题中，h已知，此处h为未知值(2)导热问题中，λ为固体导热系数，此处λ为流 体导热系数(3)导热问题中，t为固体温度，此处t为流体温度传热学传热学 / / 对流换热对流换热6-3 对流换热微分方程组传热学传热学 / / 对流换热对流换热• 对流换热是流体热对流和导热联合作用的 热量传递过程。
由于牵涉到质量、动量、 热量等的传递，所以需用一组微分方程式 来描述• 具体包括：描述对流换热系数本质的对流换热方程、描述流体流动状态的连续性微分方程和动 量微分方程、描述流体中温度场的能量微分方程传热学传热学 / / 对流换热对流换热一、换热微分方程1、导出 对流换热量在壁面和流体之间传递时，都要通过紧贴 壁面的流体层，此处流体速度为零（无对流），热量传递 完全依靠导热因此，由傅里叶定律与牛顿冷却公式联立，导出换热 微分方程式：从传热机理看，对流换热实际上就是处在运动状态下 的流体导热传热学传热学 / / 对流换热对流换热2、说明（1）换热微分方程式将表面传热系数h与流体的温度场联系起来，表明h的求解有赖于流体温度场的求解2）换热微分方程中的 λ 和 是流体的参数而不是固体的参数；换热微分方程式中的h为未知数对比导热问题的第三类边界条。