对流换热原理
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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。
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：
工程传热学第四章-对流换热原理分析
1.无量纲形式的对流换热微分方程组 来流速度为u∞，来流温度t∞，平板
长度L, 平板温度tw ，流体流过平板
的压力降为Δ p。
如果为二维、稳态、流体物性为 常数，且忽略体积力项。
u v 0 x y
（ u
u
u x
v
u y
)
Fx
p x
(
2u x 2
2u y 2
)
（ v
u
v x
v
v ) y
Fy
ydx 1
x
σx、σy分别为x、y方向上的正应力(力与面方向一致)； τxy 、 τyx分别为作用于x(y)表面上的y(x)方向上的切应力
作用在x方向上表面力的净值为
yx dxdy 1 x dxdy 1
y
x
作用在y方向上表面力的净值为
xy dxdy 1 y dxdy 1
x
y
斯托克斯提出了归纳速度变形率与应力之间 的关系的黏性定律
单位时间内、沿x
v v dy y
轴方向流入微元体
的净质量：
u dy
u u dx x
Mx Mxdx udyuxudxdy
dx
(u)dxdy
v
x
单位时间内、沿y轴方向流入微元体 的净质量：
My
Mydy
vdxvyv
dydx
(v) dxdy
y
单位时间内微元体内流体质量的变
化:
dxdy
( x u )d x d y ( y v )d x d y d x d y
课前复习
1. 请写出牛顿冷却定律的表达式。 2. 对流换热的定义。
第四章 对流换热原理
4-1 对流换热概述 4-2 层流流动换热的微分方程组 4-3 对流换热过程的相似理论 4-4 边界层理论
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。
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。
传热学 第五章 对流原理.
层流边界层 紊流核心区
过渡区 紊流边界层 层流底层 主流区 速度边界层厚度 临界距离
层流
过渡流
湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
根据流体力学知识，层流边界层厚度 xv 5x 5x 5 vf vf x Re x
在层流边界层内的速度分布线为抛物线型； 在紊流边界层内，层流底层部分的速度 分布较陡，接近于直线，而在底层以外 的区域，由于流体微团的紊流运动，动 量传递被强化了，速度变化趋于平缓。
如果流体的流动是由于流体冷热部分的密度不同 引起的浮升力造成的，则称为自然对流。暖气 片的散热，蒸汽或其他热流体输送管道的热量 损失，都与这类换热有关。 一般来讲：强迫对流 换热优于自然对流。
二、 在分析对流换热时，还应分清流体的流态。 流体力学告诉我们，流体受迫在流道内流 动时可以有两种不同性质的流态。流体分 层地平行于流道的壁面流动，呈现层流状 态。但当流动状态到超过某一临界值时， 流体的流动出现了旋涡，而且在不断地发 展和扩散，引起不规则的脉动，使流动呈 现紊流状态。
α ＝q/（tf－tw） W
对流换热系数 α表征着对流换热的强弱 。
在数值上，它等于流体和壁面之间的温度 差为 1℃时，通过对流换热交换的热流密 度。单位为W/(m２·℃)。 对流换热量以及相应的换热系数的大小，将 更多地取决于流体的运动性质和情况。
一、速度边界层
流体力学指出，具有粘性且能湿润固 体壁面的流体，流过壁面会产生粘性力。 根据牛顿粘性（内摩擦）定律，流体粘性 力 τ 与垂直于运动方程速度梯度 (dv/dy ） 成正比，即: τ＝μ（dv/dy） Ｎ／m２ （5-2） 式中，μ 称为流体的动力粘度，单位为Pa· s 或kg/(m· s）。
传热学第五章_对流换热原理-1
Velocity = v Velocity = 0
Velocity Temperature
Boundary Boundary
Layer
Layer
HOT SURFACE, TEMP = TH
3. 热边界层厚度δt和流动边界层厚度δ的区 别与联系
(2) 边界层产生原因：
由于粘性的作用，流体与 壁面之间产生一粘滞力， 粘滞力使得靠近壁面处的 速度逐渐下降，最后使壁 面上的流体速度降为零， 流体质点在壁面上产生一 薄层。随着流体的流动， 粘滞力向内传递，形成的 薄层又阻碍邻近流体层中 微粒运动的作用，依此类 推，形成的薄层又阻碍邻 近流体层微粒运动，到一 定程度，粘滞力不再起作 用。
➢ 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来 测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y 方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速急剧 增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，普朗特 研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边界层的概 念。
普朗特在仔细观察了粘性流体流过固体表面的特性后提出了 突破性的见解。他认为，粘滞性起作用的区域仅仅局限在 靠近壁面的薄层内。在此薄层以外，由于速度梯度很小粘 滞性所造成的切应力可以略而不计，于是该区域中的流动 可以作为理想流体的无旋流动。这种在固体表面附近流体 速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层(又称速度边界 层)．图5—5示出了产生流动边界层的两种常见情形。如 图5—5a所示，从y＝o处u＝0开始，流体的速度随着离开 壁面距离y的增加而急剧增大，经过一个薄层后u增长到接 近主流速度。这个薄层即为流动边界层，其厚度视规定的 接近主流速度程度的不同而不同。通常规定达到主流速度 的99％处的距离y为流动边界层的厚度，记为δ 。
精品课件- 对流换热原理及其应用
X方向热对流带入微元体的焓
H x cputdy
X方向热对流带出微元体的焓
Hxdx
Hx
H x x
dx
Hx
cput
x
dxdy
cp 是常量，提到微分号外边，变为
ut
H xdx H x cp x dxdy
X方向热对流引起的净热量
ut
H x H xdx cp x dxdy
y方向热对流引起的净热量
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：
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
h t
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
单相 对流 换热
自然对流 混合对流 强制对流
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 对流换热过程微分方程式
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）
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
（ y 向）的速度分布，如上图所示。在
处，y 0 u ；0此后随 ，y 。 经u 过 一
个薄层后 接近主u流速度。
3. 定义 这一薄层称为流动边界层（速度边 界层），通常规定：u 0.9（9u主 流速度）处 的距离 为y流动边界层厚度，记为 。
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x4
和流函数
(x, y) f ()[4 (Grx )1/4 ]
4
其中，局部葛拉晓夫数为
Grx
g (tw t f 2
)x3
则可分析求解得到垂直表面上层流自然对流换
热的局部换热系数关联式为
Nu x
hx
( Grx 4
)1/ 4
* g(Pr)
而长为L的对流表面平均对流换热系数关联式为
Nu L
hL
4 (GrL 34
其物理意义反映了流体
U V 0； X Y U U V U X Y
1 2u ； Gr y 2
温差引起的浮升力导致 的自然对流流场中的流 体惯性力与其黏性力之 间的对比关系。
U V
1 2。
X Y Gr Pr 2 Y 2
1-4 垂直表面上的层流自然对流 换热分析解
引入相似变量 y (Grx )1/ 4
动量方程中的压力梯度项，按其在y方向上变化的
特征，在边界层外部可以求得为 dp
于是动量方程变为
dx
g
u
u x
v
u y
g
2u y 2
另外，引入体积膨胀系数 ，使方程中的密度差可
转化用温度差来表示，即
1
T
p
1
T
T
对于理想气体，体积膨胀系数为其绝对温度值的倒 数，即β=1/T。由
1
T
竖平板及 竖圆柱
流态
层流 过渡流 湍流 层流
横圆柱 过渡流
湍流
系数及指数
C
n
0.59
1/4
0.0292
0.39
0.11
1/3
0.48
1/4
0.0445
0.37
0.10
1/3
Gr数适用范围
1043109 310921010
>21010 104 5.76108
5.76108 4.65109 >4.65109
)1/ 4
* g(Pr)
4 3
Nu L
其中，不同Pr数下g(Pr)的数值可参照下表选取
Pr 0.01 0.72 1
2
10 100 1000
g(Pr) 0.081 0.505 0.567 0.716 1.169 2.191 3.966
实验研究发现，当Gr>109时，自然对流边界层就会 失去稳定而从层流状态转变为紊流状态。
1 大空间自然对流换热 1-1 流动机理和换热特征
机理：流体受浮升力与粘滞力 联合作用的结果。 自然对流边界层形式：（1）层流边界层；（2）湍流边 界层 决定自然对流形式的参数是壁面与流体的温度差和流 体的物理性质。基础研究发现，在壁面热流或壁面温 度保持恒定的情况下，当流动达到旺盛湍流时，局部 对流换热系数将保持不变。
X x ,Y y ,U u ,V v ,
L
L
ua
ua
w
把上述无量纲变量代入微分方程组，得新的无量纲 化的竖板自然对流换热微分方程组为：
U V 0； X Y
U
U X
V
U Y
g w
ua2
L
ua
L
2u ； y 2
U
X
V
Y
a ua L
2。 Y 2
进一步简化后可得
引入无量纲数
Gr
gw L3 2
（1）竖板（或垂直平壁）
Nu L
{0.825
[1
0.387RaL1/ 6 (0.492 / Pr)9/16
]8
/
27
}2
式中，RaL为雷利数，
RaL
GrL
* Pr
g (tw t f a
)L3
上式同时适用于等热流表面和等壁温表面。但对于常 热流壁面，应取壁面长度一半处的温度与流体温度之 差作为计算温差。 限制条件：10-1 < RaL < 1012
上式可简化为
Nud
hd
CRad n
C,n 之值可依下表选取
Rad 10-1010-2 10-2102 102104 104107 1071012
C 0.675 1.02 0.85 0.48 0.125
n 0.058 0.148 0.188 0.250 0.333
（3-A）常壁温条件下水平板的自然对流换热
对于层流流动，精度稍高的经验式为
Nu L
0.68
[1
0.67RaL1/ 4 (0.492 / Pr)9/16
]4
/
9
限制条件：0 < RaL < 109
（2）长的水平圆柱
Nu L
{0.60
0.387Rad1/ 6
}2
[1 (0.599 / Pr)9 /16 ]8/ 27
限制条件：10-5 < Rad < 1012
从竖直平板的底部开始发展的自然对流边界层，除边界层 厚度逐步增大之外，其边界层中的惯性力相对于黏性力也会 逐步增大，从而导致边界层中的流动失去稳定，而使流动由
层流变化到紊流。
如受迫对流的边界层从层流变为紊流取决于无量纲 准则雷诺数Re一样，自然对流边界层从层流变为紊流
也取决于一个无量纲准则格拉晓夫数Gr。
1-2 竖板自然对流换热的微分方程组
大空间条件下竖板的自然对流换热是属于边界层流动换 热类型。前面推导的边界层流动换热微分方程组在这里
同样适用。
自然对流换热的
微分方程组为：
u v 0； x y
u
u x
v
u y
Fx
dp dx
2u ； y 2
c p
u
x
v
y
2 ；
y 2
式中 Fx g
下面以竖直平板在空气中的自然冷却过程为例进行 流动与换热特征分析。
注意：边界层内速度分布的特点为中间大，两头小。 其原因是：在壁面上，由于粘性作用，速度为零， 而在边界层外，由于无温度梯度，浮生力为零，从 而速度也为零。 与速度边界层同时存在的还有温度发生显著变化的
薄层，也就是温度从tw逐步变化到环境温度t∞热边界层。 热边界层的厚度也是随着流动方向上尺寸(x)的增大而 逐渐增大，因而竖直平板的换热性能也就会从平板底 部开始随着x的增大而逐渐减弱。
1-5 大空间自然对流换热的实验关联式
一般形式： Nu C(Gr * Pr) n
定性温度一般取为tm=(tw+t∞)/2。对竖板或竖管（圆柱 体），特征尺寸取为板（管）高；对于水平放置的圆管 （横圆柱体），特征尺寸取外直径。
针对于不同的自然对流换热问题c、n有不同取值 （表5－12）
加热表面 形状与 位置
（1）热面朝上或冷面朝下情况
Nu L
p
1
T
T
Hale Waihona Puke 得/T则 换 热 微 分 方
程组可改写为
u v 0； x y
u
u x
v
u y
g
2u ； y 2
c p
u
x
v
y
2 。
y 2
显然，动量方程与能量方程互为耦合，必须联合求解。
1-3 相似性讨论
采用前面介绍的相似分析办法，引入变量参考值， 将方程组无量纲化。
引入变量参考值（无量纲标尺），如竖板高度L、 特征流速ua、温度差 w tw t 等，得相关的 无量纲变量