对流传热原理
热传递热量通过流体的对流传递
热传递热量通过流体的对流传递热量传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
在介绍流体的对流传热之前，先了解一下传热的基本知识。
一、热传递的基本原理热传递是能量的传递方式，能量从高温物体到低温物体传递，使两者达到热平衡。
热传递的方式有传导、对流和辐射三种。
（一）传导传导是指通过物质内部的分子热振动传递热量的过程。
热量沿温度梯度从高温区域传递到低温区域。
传导率取决于物质的导热性质和温度梯度。
常见的固体和液体都能够传导热量。
（二）对流对流是指通过物体表面上的流体（比如液体或气体）的运动传递热量的过程。
对流分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指在温差的驱动下，流体由于密度的差异而形成的运动。
比如，加热后的空气密度减小，上升形成对流。
强制对流是指通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流可以通过风扇或泵等设备来搅动流体，加速热量传递。
（三）辐射辐射是指通过电磁波将热量从发光物体传递到其他物体的过程。
辐射可以在真空中传递，无需介质传递。
常见的辐射形式有电磁波、红外线和可见光等。
二、流体的对流传热流体的对流传热是指通过流动的流体传递热量的过程。
流体的对流传热包括自然对流和强制对流。
（一）自然对流传热自然对流传热是指在温差作用下，流体通过密度的差异而产生的运动，从而传递热量。
自然对流传热的机理是流体受热后密度下降，体积膨胀，从而使流体向上运动。
同时，冷却后的流体密度增加，使流体向下运动。
形成这种循环运动的力称为浮力。
自然对流传热最常见的例子就是热气球。
在热气球中，空气被加热后变得轻，从而使热气球得以上升。
（二）强制对流传热强制对流传热是通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流传热的机理是外部力搅动流体，使流体中的高温部分与低温部分混合，加速热量的传递。
在实际工程中，强制对流传热是非常常见的应用。
比如，利用风扇将空气吹向加热元件，加速热量传递。
对流换热定义
对流换热定义对流换热是指在流体中，由于温度差异而引起的热量传递现象。
在自然界中，对流换热是非常常见的现象，例如太阳辐射地球表面，地表受热后会产生对流现象，形成风。
在工业生产中，对流换热也是非常重要的一种热传递方式。
对流换热的基本原理是热量从高温区域向低温区域传递，这个过程中，流体会发生密度变化，从而产生对流现象。
对流换热的传热速率与流体的流速、流体的物理性质、流体的温度差等因素有关。
对流换热可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是指由于温度差异引起的流体自然运动，例如太阳辐射地球表面，地表受热后会产生对流现象，形成风。
强制对流是指通过外力作用使流体产生运动，例如在工业生产中，通过泵等设备将流体强制循环，从而产生对流现象。
对流换热在工业生产中有着广泛的应用。
例如在化工生产中，对流换热器是非常重要的设备之一。
对流换热器可以将高温的流体通过管道传递到低温的流体中，从而实现热量的传递。
对流换热器的传热效率与其结构设计、流体的流速、流体的物理性质等因素有关。
在对流换热器的设计中，需要考虑到流体的流速和流体的物理性质。
流速越大，对流换热的传热速率越快，但是流速过大会导致流体的压力损失增大，从而影响对流换热器的效率。
流体的物理性质也会影响对流换热器的传热效率，例如流体的热导率、比热容等因素都会影响对流换热器的传热效率。
除了对流换热器，对流换热在其他领域也有着广泛的应用。
例如在空调系统中，通过空气的对流换热来实现室内温度的调节。
在汽车发动机中，通过水循环来实现对发动机的冷却，从而保证发动机的正常运转。
对流换热是一种非常重要的热传递方式，广泛应用于工业生产、空调系统、汽车发动机等领域。
在对流换热的应用中，需要考虑到流体的流速、流体的物理性质等因素，从而实现对流换热的最佳效果。
化工原理 传热2
Q Wh ( H h1 H h2 ) Wc ( Hc 2 Hc1 )
焓，kJ/ kg。（下标c和h分别表示冷流体和热流体，下标 1和2表示换热器的进口和出口）。 上式即为换热器的热量衡算式。 若换热器中两流体无相变化，且流体的比热可视为 不随温度而变或取为平均温度下的比热时，热量衡算式 可以表示为：
冷流体 水 水 水 水 水 有机溶剂 水 气体 水 水沸腾 轻油沸腾 热流体 水 气体 有机溶剂 轻油 重油 有机溶剂 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 低沸点烃类冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 总传热系数 K W/(m2· ℃) 850 ～ 1700 17 ～ 280 280 ～ 850 340 ～ 910 60 ～ 280 115 ?40 1420 ～ 4250 30 ～ 300 455 ～ 1140 2000 ～ 4250 455 ～ 1020
T
Tw
f
4
膜假设：所有的传热阻力集中在厚度为的一层膜中， 其中的传热方式为导热，则对于微元传热面积dS
令
则
dQ dS(T Tw ) f
f
T TW dQ dS(T TW ) 1 dS
其中称为对流传热系数 ，单位为W/(m2· ℃)或W/(m2· K)， 上式称为牛顿冷却定律。 通常，管内的对流传热系数表示为 i，管外的对流 传热系数表示为 o；热流体的温度为T，冷流体的温度 表示为t。
9
二、总传热系数 以间壁式传热为例
T So Tw
b Si tw i t
总传热量等于各分步传热量，即
Q KS (T t ) o S o (T TW )
b
S m (Tw tW ) i Si (tW t )
热传导和热对流热能的传导和对流的原理
热传导和热对流热能的传导和对流的原理热传导和热对流：热能的传导和对流原理热能传导和对流是热力学中重要的概念，用以描述热量如何从一个物体传递到另一个物体的过程。
本文将详细介绍热传导和热对流的原理，探讨它们在日常生活和工业应用中的重要性。
一、热传导的原理热传导是指热量通过直接接触而从一个物体传递到另一个物体的过程。
它的原理可以用分子动理论来解释。
在物体中，分子不断的振动和碰撞，而这些振动和碰撞会导致能量传递。
当两个物体接触时，它们的分子会相互传递能量，使得温度差异逐渐减小，最终达到热平衡。
热传导的速度取决于多个因素，其中最主要的是以下几点：1. 物体的热导率：热导率越大，热传导速度越快。
不同物质的热导率各不相同，例如金属通常有较高的热导率，而绝缘材料则具有较低的热导率。
2. 温度差异：温度差异越大，热传导速度越快。
3. 物体的形状和尺寸：物体形状和尺寸的不同会影响热传导的路径和速度。
热传导在日常生活中随处可见。
例如，我们可以通过接触热杯子来感受到热传导，因为杯子中的热量会传递到我们的手中。
此外，热传导也是导致建筑物内部温度不断变化的原因之一。
当阳光照射到建筑物表面时，热量会通过传导进入室内空气，导致室内温度上升。
二、热对流的原理热对流是指热量通过流体的运动传递的过程。
当流体被加热后，其密度会减小，上升的热量会带动周围较冷的流体下沉，从而形成对流循环。
这种对流循环可以加速热量的传递，使得质量更大的热量被分散到周围环境中。
热对流的速度和强度与流体的性质和流动条件密切相关。
以下因素对热对流的影响较大：1. 流体的性质：流体的粘度和密度都会影响热对流的传输速度。
粘度较低的流体和较稀薄的流体通常具有较快的热对流速度。
2. 温度差异：温度差异越大，热对流速度越快。
3. 流体的流动条件：流体的流速、流动的方向和方式都会影响热对流传输的速度和路径。
热对流在自然界中广泛存在，例如热气球的升空过程。
当气球内部加热时，热量通过对流的方式传递到气球外部，从而导致气体的密度变化，使得气球能够升空。
传热学-5 对流传热原理
5-4 相似原理简介
1）几何相似 对应的长度量成固定比例，对应的角度相等。
若（1）（2）相似
a' a ''
b' b ''
c' c ''
h' h ''
' ''
P' P ''
CF
5-4 相似原理简介
4）初始条件和边界条件相似 保证定解条件一致。
几何相似是运动相似和动力相似的前提； 动力相似是决定流动相似的主要因素（保证）； 运动相似是几何相似和动力相似的表现。
y
u
u
tw x
5-1 对流传热概述
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。
5-1 对流传热概述
偏微分方程+定解条件
速度场和温度场
表面传热系数h
2 实验法
相似原理指导下通过实验获得表面传热系数的 计算式（是目前工程计算的主要依据）。
对流传热问题的研究方法
3 比拟法
通过研究热量传递与动量传递的共性或类似特性, 建立起表面传热系数 h 与阻力系数 cf 间的相互联系, 通过较易测定的阻力系数来获得相应的表面传热系数 值。
主流区：速度梯度为0， 0 可视为无粘性理想流
对流换热
du
物理量
cp 表明流体的某些物理性质对传热的影响。 gl 3 2 t 表明因受热引起的自然对流对传热的影响。 2 h—传热膜系数；—导热系数； l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)； Cp—流体的比定压热容；—流体的膨胀系数。
Nu K Rea Pr b Gr c
应用条件： 特征尺寸l：管内径d 应用范围：Re＞104；0.7＜Pr＜16700；l/d>60； μ＜2 mPa· s 定性温度：黏度μw 取壁温，其余取流体进出口温 度的算术平均值，但由于壁温未知，处理如下 加热时： ( w )0.14 1.05 冷却时： ( w )0.14 0.95
1 2g 2 gt
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
如空气自然对流的h值约为5-25 W/(m2· ℃)，而强制对流的h值可达 10-250 W/(m2· ℃)。
(2) 流动状态
当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传 递充分，且随着Re增大，靠近固体壁面的有效层流膜厚度变薄， 提高传热速率，即h增大，当流体为层流流动时，流体中无混杂 的质点运动，所以其h值较湍流时的小。
3 2
2
)c
对流传热中的特征数
特征数
Nusselt number
Reynolds number Prandtl number Grashoff number 特征数形式
特征数的物理意义
h
l
表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导 热系数与换热器壁几何尺寸的作用。
确定传热时流体的流动形态，并表明对换热 的影响。
固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界 层 ，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。
化工原理.对流传热
logNu b
logPr logNu/Prb a
logc
logRe
（三）定性温度、特性尺寸的确定 1．确定物性参数cp、μ、ρ等数值的温度称为定性温度。 定性温度的取法：
(1) tm t1 t 2 2
(2) 膜温 tW t m 2
2．特性尺寸
取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。
3 Re 0.4
适用条件：Re>1800
特性尺寸l：管或板高H
定性温度：膜温
Re的表达式：
Re d eu 4
S
u
4 Re
qm
qm Su
4lt r
Q qm r Q At lt
Re
4．冷凝传热的影响因素和强化措施
1) 流体物性 冷凝液、 、 r 、 → 2) 温差 液膜层流流动时，t=ts－tw →
d 0
流速u按流通截面最大处的截面计算：
S max hD(1
式中
do t
)
h——两块折流挡板间距离，m； D——换热器壳径，m；
do——管子的外径，m；
t——相邻两管中心距，m。
u
0.55 0.45
de
提高壳程对流传热系数的措施：
1） u ; 但u 流动阻力 u , h f
四、对流传热系数经验关联式
（一）因次分析 ＝f (u，l，，，cp，，gt) 式中 l—特性尺寸； u—特征流速。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度 变量总数：8个
由定律（8-4）= 4，可知有4个无因次数群。
Nu m Re Pr Gr
a b
c
对流热流原理
对流热流原理
流热流原理是热力学中的基本原理之一，它指的是热量在物体中的传递过程。
根据流热流原理，热量会自高温区域传递到低温区域，直到两个区域的温度达到平衡。
具体来说，当两个物体处于不同的温度时，它们之间存在一个温度梯度。
根据热力学第二定律，热量会沿着温度梯度的方向从高温区域向低温区域传递，直到两个物体的温度达到平衡。
在物体内部，热量的传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。
传导是指热量通过物质内部的分子传递，对流是指热量通过流体的对流传递，辐射是指热量通过电磁波辐射的方式传递。
在流热流过程中，对流往往起着重要的作用。
对流是指流体内部的热量传递，它是由于物质的移动而引起的。
对流的传热过程可以通过流体的对流换热系数来描述，该系数取决于流体的性质、速度、流动方式等因素。
总之，流热流原理是描述热量传递过程的基本原理，它是研究热力学和热传导的基础。
对于工程设计和实际应用中的热传导问题，流热流原理是理解和解决问题的重要依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
航空工程学院发动机系
1
5.1 概述
流动流体与所接触的物体表面之间由于温 度差而引起的热量传递称为（表面）对流 传热。
➢按流体有无相变 ➢按流体流动起因 ➢按流体流动状态
单相对流传热 相变对流传热——凝结，沸腾
自然对流传热 强迫对流传热
层流对流传热 湍流对流传热
2
5.1 概述
基本公式——牛顿冷却公式
• 实验数据的整理
以稳态单相强迫对流为例：
Nu f Re,Pr
Nu C Ren Prm
对同一流体实验，控制温度，使Pr不变，在不同 的Re下，得到Nu，利用对数关系确定方程中的系 数。
工程上实用的计算对流传热系数h的各种公式， 主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确 定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实 验测量获得相应的参数。
5.4 特征数方程
对流传热常用的特征数（稳态，单相） 1. 努塞尔数Nu
Nu hlc
f
lc f
1h
对流层导热热阻 对流传热热阻
2. 雷诺数Re
由牛顿粘性定律： u
y
—动力粘度பைடு நூலகம்Pa.s
流场可以划分为两个区： 边界层区与主流区
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：
层流边界层
过渡区
湍流边界层
湍流核心区 层流底层
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面 的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度
Nu f Re,Pr • 纯自然对流 Nu f Pr,Gr
统一形式：
Nu C Ren Prm Grs
5.4 特征数方程
对流传热的三大特征量——确定特征数中 某些参数的量
1.特征温度 tc
• 流体温度 • 热边界层平均温度 • 壁面温度
2.特征尺寸 lc 3.特征流速 vc
5.4 特征数方程
5.1 概述
2. 流动状态
• 层流——整个流场呈一簇互相平行的流线 • 湍流——流体质点做复杂无规则的运动
3. 有无相变
• 单相依靠显热实现传热 • 相变依靠潜热实现传热
4. 流体物性
• 热导率——流体与壁面间导热热阻越小，对流传热越强 • 定压比热——单位体积流体能携带更多能量 • 密度——单位体积流体能携带更多能量 • 动力粘度——阻碍流体流动，不利于对流 • 体胀系数——使自然对流换热增强
Tw
t tw 0.99 t tw y t 热边界层厚度
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时热边界层的形成和发展：
在层流边界层中：热量传递依靠导热 在湍流边界层中：热量传递依靠流体微团的脉动引起
的混合作用
5.2 边界层概念
热边界层厚度与流动边界层厚度的关系：
（流动边界层和热边界层的状况决定边界层内的热量传递）
hAt
t ——流体与壁面的温差 A ——对流传热面积 h ——对流传热系数
热阻
1 Rh hA
5.1 概述
对流传热系数及其影响因素
对流传热系数是一个表征对流传热强弱的非物性参
数，定义式为： h q t
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
影响因素： 1. 流动起因
• 强迫对流 • 自然对流
Re Vclc
Vclc
惯性力 粘性力
5.4 特征数方程
3. 格拉晓夫数Gr
Gr
gV tlc3 2
浮升力 粘性力
惯性力 粘性力
4. 普朗特数Pr
Pr
v a
动量扩散能力 热量扩散能力
5.4 特征数方程
对流传热常用特征数方程
• 流体流速较小，自然对流和强迫对流共存
Nu f Re,Pr,Gr
• 纯强迫对流
5.2 边界层概念
层流向湍流转捩的定量判据——雷诺数（Reynolds）
定义式：Rec
uclc
uclc
惯性力 粘性力
——密度
uc ——特征流速
lc ——特征尺寸
——运动粘度
掠过等温平壁时层流向湍流转捩的临界雷诺数： Rec 5105
5.2 边界层概念
流体边界层的特点：
• 边界层厚度 与壁的定型尺寸L 相比极小， << L
例如对纵掠等温平壁的稳态传热， Re 5105 时， 求解结果为：
1
1
hx
0.332
x
u x
2
a
3
5.4 特征数方程
• 相似理论
同类物理现象中，若在空间对应的地点和时间 对应的瞬间，其各对应的物理量分别成一定比例， 称物理现象彼此相似。
彼此相似的物理现象，其对应的同名特征数必 定相等。
5.1 概述
5. 几何因素
5.1 概述
研究对流传热的方法： 1.分析解法
• 数量级分析法 • 积分近似解法
2.数值解法 3.比拟法 4.相似原理指导下的实验法
5.2 边界层概念
流动边界层
——由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距 离的缩短而逐渐降低，在贴壁处被滞止，处于无滑移状 态。这种固体壁面附近流体速度变化剧烈的薄层称为流 动边界层或速度边界层。
• 边界层内存在较大的速度梯度 • 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处
仍有层流特征，粘性底层（层流底层） • 流场可以划分为边界层区与主流区
边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述 主流区：由理想流体运动微分方程—欧拉方程描述
5.2 边界层概念
热边界层
——当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很 大的温度边界层（热边界层）
15
5.3 对流传热微分方程组
1.传热方程
粘性底层的导热：
qx
f
tx y
y 0
牛顿冷却公式： qx hx tw t f x
合并上两式：
hx
f
tw t f
x
tx y
y0
5.3 对流传热微分方程组
2. 质量方程 3. 动量方程
u v 0 x y
u
u
u x
v
u y
Fx
p x
2u x2
2u y2
v
u
v x
v
v y
Fy
p y
2v x2
2v y2
4. 能量方程 t t t 2t 2t
u
x
v
y
a
x2
y2
5.3 对流传热微分方程组
• 边界层对流传热微分方程组
将对流传热微分方程组应用到边界层内，可以求 解简单的对流传热问题。
普朗特数反映流动边界层厚度与热边界层 厚度的相对大小
Pr
a
动量扩散能力 热量扩散能力
常用流体的Pr值在0.6~4000之间
14
5.3 对流传热微分方程组
对流传热——流体热对流+导热 还要涉及到流体的质量、动量、能量方程，因 此对流传热需用一组方程描述。
方程简化：常物性，流速不高，无内热源，不可 压缩，牛顿型流体，二维稳态对流传热