传热学 第四章 对流传热原理
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传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 工程应用背景
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
热对流 对流换热：
计算关系式
Φ hAtw tf
Φ hAtf tw
本章的主要任务：确定 h 的具体表达式
——请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都 曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！
第二节：对流换热问题的数学描写—对流换热微分方程组
二维、常物性、不可压、稳态
u v 0 x y
u
u x
v
u y
Fx
1
p x
2u x 2
2u y 2
u
v x
v
v y
Fy
1
p y
2v x 2
2v y 2
u
t x
v
t y
a
2t x 2
2t y 2
t
h tw t y w
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 求h主要有以下基本途径：
Φ h At w t f
h
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
影响对流换热的基本因素： 流动因素、几何因素和物性参数 流动因素 a 流动起因 自然对流(Natural Convection)—— 强迫对流(Forced Convection)—— b 流动状态 层流(Laminar Flow)—— 紊流(Turbulent Flow)—— c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer)
第一节：概述 工程应用背景
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
热对流 对流换热：
计算关系式
Φ hAtw tf
Φ hAtf tw
本章的主要任务：确定 h 的具体表达式
——请千万小心，步步都是富贵险中求。殊不知多少江湖英豪；名门侠女都 曾栽在这块看似山青湖静，实则风阴涛涌的领域！
第二节：对流换热问题的数学描写—对流换热微分方程组
二维、常物性、不可压、稳态
u v 0 x y
u
u x
v
u y
Fx
1
p x
2u x 2
2u y 2
u
v x
v
v y
Fy
1
p y
2v x 2
2v y 2
u
t x
v
t y
a
2t x 2
2t y 2
t
h tw t y w
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述 求h主要有以下基本途径：
Φ h At w t f
h
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第一节：概述
影响对流换热的基本因素： 流动因素、几何因素和物性参数 流动因素 a 流动起因 自然对流(Natural Convection)—— 强迫对流(Forced Convection)—— b 流动状态 层流(Laminar Flow)—— 紊流(Turbulent Flow)—— c 流体有无相变(Phase Change) 凝结换热(Condensation Heat Transfer) 沸腾换热(Boiling Heat Transfer)
传热学中的对流传热与传导传热
传热学中的对流传热与传导传热传热学是研究物体内部或物体之间热量传递规律的学科。
在这个领域中，对流传热和传导传热是两个基本而重要的概念。
首先，我们来介绍一下对流传热。
对流传热是指通过流体（气体或液体）的运动传递热量的过程。
我们知道，热气会上升，冷空气则下沉。
当一个物体受热时，由于局部升温，局部的气体也会被加热，导致其密度减小，从而形成一个向上的热空气、气流。
这个热空气通过自然对流或强制对流传递热量。
对流传热可以分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是在没有外部力驱使的情况下，由于密度差异引起的热气体或流体的运动。
例如，我们在炉子上方能够感受到的热气流，正是由于自然对流所引起的。
而强制对流则是由于外部力的作用，将热气体或流体迫使运动起来。
例如，风扇产生的强风，能够加速热气体的运动，从而增强对流传热。
在传热学中，对流传热的计算是一个非常复杂的过程。
因为对流传热受到多种因素的影响，包括流体的性质、流体速度、流动的几何形状、壁面的温度等等。
要准确计算对流传热，需要引入一些基本参数，如传热系数和换热面积。
传热系数是描述热量传递效果的物理量，而换热面积则是描述实际接触面积的物理量。
与对流传热相对应的是传导传热。
传导传热是指热量通过物体内部的分子热运动传递的过程。
当我们将一个物体的一端加热时，热量将从加热端向冷却端传递。
这是因为在物体内部，热量会使得分子热运动加剧，分子之间的碰撞和传递也会加强。
传导传热的速率取决于物体的导热性能和温度差。
不同物质具有不同的导热性能。
导热性能越好，传导传热的速率越快。
例如，金属是一个非常好的导热体，因此可以迅速传导热量。
而空气和水则是较差的导热体，它们在传导传热时速率较慢。
在实际应用中，我们可以利用物质的导热性能来设计制造各种热传导设备，如散热片、散热器等，用于热管理和热控制。
除了对流传热和传导传热，还有一个重要的传热方式是辐射传热。
辐射传热是指通过热辐射波长范围内的电磁波传递热量的过程。
工程热力学与传热学 第四章对流换热
从公式可知，要计算热流量，温度及面积比较容易得到，
主要是如何求得对流换热系数α，这是研究对流换热的主要任
务之一。
确定α；
➢对流换热的任务 揭示α与其影响因素的内在关系；
增强换热的措施。
➢研究对流换热的方法 ➢ 分析法 ➢ 实验法
➢ 比拟法 ➢ 数值法
➢ 分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定 解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。
➢关于速度边界层的几个要点
(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， << L
(2) 边界层内存在较大的速度梯度
(3) 边界层流态分层流与紊流；紊流边界层紧靠壁 面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）
(4) 流场可以划分为边界层区与主流区，主流区 的流体当作理想流体处理
热边界层
➢定义
当流体流过平板而平板的 温度tw与来流流体的温度t∞不相 等时，在壁面上方也能形成温 度发生显著变化的薄层，常称 0 为热边界层。
：流动边界层厚度 u 0.99u
t∞ u
δt δ
tw
x
l 如，空气外掠平
板u=10m/s：
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
➢速度边界层的形成及发展过程
紊流核心
临界距边离界xc层：从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决
于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
4、流体的物理性质
流体内部和流体与壁面间导热热阻小 c 单位体积流体能携带更多能量
有碍流体流动，不利于热对流
自然对流换热增强
体胀系数：
1
(
第四章 对流换热
9.已定准则：不包含未知量(或待定量)的准则。 10.准则方程:由准则数组成的方程。
二、准则方程式
从上节分析知道，在大多数情况下，影响无相 变对流换热过程的换热系数α的物理因素可归结为 流体流态、物性、换热壁面状况和几何条件、流动 原因四个方面。研究表明，对于管内强迫对流，如 果假定物性是常数，不随温度而变，研究的是平均 对流换热系数。壁面热状态和管长的影响可不予考 虑，影响对流换热系数α的因素有平均流速V，管径 D，流体密度ρ，动力粘度μ，比热cp和导热系数λ。
第四章 流体无相变时的对流换热
4-1 概述
对流换热是指流体与固体壁面直接接触时所发 生的热传递过程。这一章，我们要进一步探讨对流 换热的机理，分析影响对流换热的各种因素，介绍 用因次分析法确定对流换热系数的方法等。
一、对流换热分类：
1.按有无相变分类：有相变的对流换热和无相变的 对流换热。
2.按流动原因分类：强（受）迫对流换热和自然对 流换热。
3．代入量纲
[M -3T-1] [1] L a L 1 b ML3 c ML1 1 d L2 2T 1 e LM 3T 1 f
a=c-1 b=c d=e-c f=1-e
AD aV
b
c
d
c
e p
f
A(Dc1V c c eccep1e )
DV
A(
)c ( c p
)e (
（4-1）
物理意义：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，每单位时间单位面积的对流 换热量，单位为W/(m２·℃)。
二、速度边界层
1.牛顿内摩擦定律
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。根据牛顿内摩擦定律，流体粘 性力τ与垂直于运动方向的速度梯度(dv/dy）成 正比：
二、准则方程式
从上节分析知道，在大多数情况下，影响无相 变对流换热过程的换热系数α的物理因素可归结为 流体流态、物性、换热壁面状况和几何条件、流动 原因四个方面。研究表明，对于管内强迫对流，如 果假定物性是常数，不随温度而变，研究的是平均 对流换热系数。壁面热状态和管长的影响可不予考 虑，影响对流换热系数α的因素有平均流速V，管径 D，流体密度ρ，动力粘度μ，比热cp和导热系数λ。
第四章 流体无相变时的对流换热
4-1 概述
对流换热是指流体与固体壁面直接接触时所发 生的热传递过程。这一章，我们要进一步探讨对流 换热的机理，分析影响对流换热的各种因素，介绍 用因次分析法确定对流换热系数的方法等。
一、对流换热分类：
1.按有无相变分类：有相变的对流换热和无相变的 对流换热。
2.按流动原因分类：强（受）迫对流换热和自然对 流换热。
3．代入量纲
[M -3T-1] [1] L a L 1 b ML3 c ML1 1 d L2 2T 1 e LM 3T 1 f
a=c-1 b=c d=e-c f=1-e
AD aV
b
c
d
c
e p
f
A(Dc1V c c eccep1e )
DV
A(
)c ( c p
)e (
（4-1）
物理意义：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，每单位时间单位面积的对流 换热量，单位为W/(m２·℃)。
二、速度边界层
1.牛顿内摩擦定律
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。根据牛顿内摩擦定律，流体粘 性力τ与垂直于运动方向的速度梯度(dv/dy）成 正比：
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
传热三种方式
1•传导传热是指温度不同的物体直接接触，由于自由电子的运动或分子的运动而 发生的热交换现象。
温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的传递过程，称为传导传热。
传热过程中，物体的微观粒子不发生宏观的相对移动，而在其热运动相互振动或 碰撞中发生动能的传递，宏观上表现为热量从高温部分传至低温部分。
微观粒子 热能的传递方式随物质结构而异，在气体和液体中靠分子的热运动和彼此相撞， 在金属中靠电子自由运动和原子振动。
⑴对流传热是热传递的一种基本方式。
热能在液体或气体中从一处传递到另一处的过程。
主要计算分类对于宅瘟畀捲T 特担黑举为聲疑*ao2、多层平面壁的计算1、单层平壁的计算⑴序+购珅子连嘉荐挑扯ft qg 醴円畀…是由于质点位置的移动，使温度趋于均匀。
是液体和气体中热传递的主要方式。
但也往往伴有热传导。
通常由于产生的原因不同，有自然对流和强制对流两种。
根据流动状态，又可分为层流传热和湍流传热。
化学工业中所常遇到的对流传热，是将热由流体传至固体壁面（如靠近热流体一面的容器壁或导管壁等），或由固体壁传入周围的流体（如靠近冷流体一面的导管壁等）。
这种由壁面传给流体或相反的过程，通常称作给热。
定义对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位弯管中的对流传热⑴由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
在工程上，常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程，称之为对流传热。
[2]对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw 的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为q=a（tw-tf），当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有q=a（tf-tw）式中q为对流传热的热通量，W/m2 a 为比例系数，称为对流传热系数，W/（m2「C）。
牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。
传热学-第四章 对流换热的理论分析第一讲-动力工程
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定： 连续性方程、动量方程、能量方程
对流换热过程微分方程式
h（x Tw
T）
T y
w, x
与导热中的第三类边界条件有何本质差异？
流体中的温度梯度 流体的热物性
4-2 对流换热过程的数学描述
为便于分析，只限于分析二维对流换热
假设：a) 流体为不可压缩的牛顿型流体
4-1 对流换热概述
一、对流换热
1、定义：流体与固体壁直接接触、且存在相对运 动时所发生的热量传递过程
Tw T
对流换热与热对流不同 不是基本传热方式
对流 & 对流换热
对流，流体中温度不同的各部分之间，由于相对的 宏观运动而把热量从一处迁移至另一处的过程
流体在作相对宏观运动的同时，分子的微观运动并 没有停止，也就是说流体微团内部还以导热方式传递 热量，这一作用习惯上称为扩散作用
（2）动量传递和热量传递的类比法 利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍 流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数
（3）实验法 用相似理论指导
四、对流换热过程的单值性条件
单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件 完整数学描述：对流换热微分方程组 + 单值性条件 单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界 1、几何条件 说明对流换热过程中的几何形状和大小
速度边界层
在紧靠壁面的流体薄层内，由于分子导热，热量从 壁面传递到流体中
当热量通过导热自壁面传入流体后，一部分以焓的 形式被运动着的流体带向下游-----热对流；另一部分 则以热量的形式通过导热传向离壁面稍远的流体层----热扩散
热扩散
热对流
被加热的流体向前运动，带走了一部分热量，从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少；流体中的温 度变化率也逐渐衰减
对流换热过程微分方程式
h（x Tw
T）
T y
w, x
与导热中的第三类边界条件有何本质差异？
流体中的温度梯度 流体的热物性
4-2 对流换热过程的数学描述
为便于分析，只限于分析二维对流换热
假设：a) 流体为不可压缩的牛顿型流体
4-1 对流换热概述
一、对流换热
1、定义：流体与固体壁直接接触、且存在相对运 动时所发生的热量传递过程
Tw T
对流换热与热对流不同 不是基本传热方式
对流 & 对流换热
对流，流体中温度不同的各部分之间，由于相对的 宏观运动而把热量从一处迁移至另一处的过程
流体在作相对宏观运动的同时，分子的微观运动并 没有停止，也就是说流体微团内部还以导热方式传递 热量，这一作用习惯上称为扩散作用
（2）动量传递和热量传递的类比法 利用湍流时动量传递和热量传递的类似规律，由湍 流时的局部表面摩擦系数推知局部表面传热系数
（3）实验法 用相似理论指导
四、对流换热过程的单值性条件
单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件 完整数学描述：对流换热微分方程组 + 单值性条件 单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界 1、几何条件 说明对流换热过程中的几何形状和大小
速度边界层
在紧靠壁面的流体薄层内，由于分子导热，热量从 壁面传递到流体中
当热量通过导热自壁面传入流体后，一部分以焓的 形式被运动着的流体带向下游-----热对流；另一部分 则以热量的形式通过导热传向离壁面稍远的流体层----热扩散
热扩散
热对流
被加热的流体向前运动，带走了一部分热量，从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少；流体中的温 度变化率也逐渐衰减
传热学对流换热ppt课件
总结词
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
优化对流换热过程，提高传热效率是传热学的重要研究方向。
详细描述
对流换热是传热过程中的重要环节，优化对流换热过程、提高传热效率对于节能减排、提高能源利用 效率具有重要意义。未来研究将进一步探索对流换热的优化方法和技术，为实现高效传热提供理论支 持。
THANKS
感谢观看
02 通过求解这些方程，可以得到流体温度场和物体 温度场的分布，进而分析对流换热的规律和特性 。
02 对流换热的数学模型是研究对流换热问题的重要 工具，可以用于预测和分析各种实际工程中的传 热问题。
03
对流换热的影响因素
流体物性参数
01 密度
密度越大，流体质量越大，流动时受到的阻力也 越大，对流传热速率相对较快。
，提高能源利用效率。
工业炉的热能回收主要涉及对流 换热器的设计和优化，需要考虑 传热效率、热损失、设备成本等
因素。
通过对流换热技术回收工业炉的 热量，可以降低能源消耗和减少
环境污染。
建筑物的自然通风设计
建筑物的自然通风设计利用对流 换热原理，通过合理设计建筑布 局、窗户位置和大小等，实现自
然通风，降低室内温度。
传热学对流换热ppt 课件
目录
• 对流换热的基本概念 • 对流换热原理 • 对流换热的影响因素 • 对流换热的实际应用 • 对流换热的实验研究方法 • 对流换热研究的未来展望
01
对流换热的基本概念
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。
详细描述
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，是传热学中的一种基本现象。当流体与固 体表面接触时，由于温度差异，会发生热量从固体表面传递到流体的过程。
在对流换热过程中，热传导与对流同时存在，共 02 同作用，两者相互关联，共同决定热量传递的速
传热学对流换热
传热学 / 对流换热
二、连续性微分方程（质量守恒方程）
依据质量守恒定律，在单位时间内，净流入微 元体的质量等于微元体内的质量增量。
（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 / 对流换热
（四）热边界层厚度与热阻的关系
自然界中的种种对流现象 电子器件冷却
强制对流与自然对流
沸腾换热原理
空调蒸发器、冷凝器 动物的身体散热
传热学 / 对流换热
热对流（Convection）
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。
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。
u 0.99u
传热学 / 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。
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 / 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。 du du f A dy dy
传热学第四章对流换热原理
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
qw qc
qc
htw
t
t y
y0
或 h＝－ t
对流换热过程微
t y y0
分方程式
h 取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的 温度梯度
温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、 换热面的几何因素、流体物性均有关。
② 对流换热过程微分方程式
壁面上的流体分子层由于受到固体壁面的吸附
是处于不滑移的状态，其流速应为零，那么通
过它的热流量只能依靠导热的方式传递。
由傅里叶定律
y t∞ u∞
qw
t y
y0
tw
qw
x
通过壁面流体层传导的热流量最终是以对流
换热的方式传递到流体中
2019/9/11
13
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
2 动量微分方程
动量微分方程式描述流体速度场—动量守恒
动量微分方程是纳维埃和斯托克斯分别于 1827和1845年推导的。 Navier-Stokes方程 （N-S方程）
牛顿第二运动定律：作用在微元体上各外 力的总和等于控制体中流体动量的变化率
2019/9/11
7
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
2019/9/11
8
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
qw qc
qc
htw
t
t y
y0
或 h＝－ t
对流换热过程微
t y y0
分方程式
h 取决于流体热导率、温度差和贴壁流体的 温度梯度
温度梯度或温度场与流速、流态、流动起因、 换热面的几何因素、流体物性均有关。
② 对流换热过程微分方程式
壁面上的流体分子层由于受到固体壁面的吸附
是处于不滑移的状态，其流速应为零，那么通
过它的热流量只能依靠导热的方式传递。
由傅里叶定律
y t∞ u∞
qw
t y
y0
tw
qw
x
通过壁面流体层传导的热流量最终是以对流
换热的方式传递到流体中
2019/9/11
13
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
2 动量微分方程
动量微分方程式描述流体速度场—动量守恒
动量微分方程是纳维埃和斯托克斯分别于 1827和1845年推导的。 Navier-Stokes方程 （N-S方程）
牛顿第二运动定律：作用在微元体上各外 力的总和等于控制体中流体动量的变化率
2019/9/11
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华中科技大学热科学与工程实验室
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数值法
两个难点：对流项的离散及动量方程中的压力梯度项 的数值处理
比拟法
通过研究动量传递和热量传递的共性或类似特性以建立 起表面传热系数与阻力系数间的相互关系
实验法
在相似原理指导下通过实验获取表面传热系数
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分析法
步骤:
1) 进行合理的物理假设 2) 建立所研究物理问题的数学描写
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5. 流体的物性
1）热导率 , 热导率越大，流体内部和流体 与壁面间导热热阻越小，对流换热就越强烈 ；
2）密度 ； 反映单位体积流体热容量的大小， 3）比热 ； 是衡量流体载热能力的标志 4）动力粘度 、运动粘度 , 粘度影响流体的 速度分布与流态，不利于热对流。
说明湍流运动的一个最著名的经典实验就是 Osborne Reynolds (雷诺)的圆管实验（1883）
当圆管内流速很低时，观 察到的染色线是一条直 线 —— 层流流动 当雷诺数增加到，譬如Re 3500~4000以上时，染色 线则完全破碎；流体质点 做复杂而无规则的随机运 动 —— 湍流流动
层流到湍流之间有一过渡阶 段；是过程，非瞬间完成
3) 用理论推导的方法获得问题的解析解
这种方法只能对于少数简单的对流换热问题 才有效，但求得的还是比较准确的，可用于检验 其他解法(如数值解)的正确性 。
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数值法
数值解法是随着计算机技术的发展而日益广泛
的一种研究方法。它与分析解法相比，有一个共同
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速度边界层
在紧靠壁面的流体薄层内，由于分子导热，热量从 壁面传递到流体中
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当热量通过导热自壁面传入流体后，由于相对的宏观 运动以焓的形式被运动着的流体带向下游-----热对流； 同时，分子的微观运动没有停止，流体微团内部以导 热的形式传向离壁面稍远的流体层-----热扩散 热扩散 热对流 被加热的流体向前运动，带走了一部分热量，从而使 向垂直于壁面方向传递的热量逐渐减少；流体中的温 度变化率也逐渐衰减
比拟法
通过分析动量传递和热量传递的类似特性，
建立对流换热系数和流动阻力系数间的函数关系
来求解的方法。由于流动阻力系数比较容易通过
实验来确定，因此这一方法在早期的对流换热研
究中应用较广。
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实验法
实验法是最早使用的研究对流换热问题的方 法，直至目前仍是研究对流换热问题的最主要、
数要比自然对流换热系数大的多。
h强迫 >h自然
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层流：流体微团沿主流方向作有规则的分
2. 流动状态
层流动，整个流场呈一簇互相平行的流线
湍流(紊流)：流体各部分之间发生剧烈的
混合，流体质点做复杂无规则的运动
h湍流 >h层流
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潜热在传热中起了主要作用 对于同一种流体，潜热要比显热大的多，所以有 无相变时的传热规律也大相径庭。
h相变 >h单相
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4. 壁面的几何形状、大小和位臵
换热表面的形状／大小／换热表面与流体流动方向的 相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙） 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
要有有限差分法、有限元法、有限分析法、边界元
法等等。 各种数值方法的根本区别主要在区域离散
和方程离散处理方法的不同，其基本思想大致可描
述为：把原来在时间和空间坐标中连续的物理量场
（如速度场、温度场、浓度场等）， 用有限个离散 点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这 些值的代数方程并求解之。
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雷诺数的物理意义
ul ul u Re u
l
2
惯性力与黏性力之比
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3. 流体有无相变
单相换热 流体的显热变化
相变换热 沸腾、实验值来检验。但 与分析解法和数值解法相比，实验解法常常需要 付出较多的人力、物力和财力。另外，对于存在 许多复杂影响因素的物理现象，要找出众多变量
之间的关系，实验的次数必然十分庞大。
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为了减少实验次数，传热学的实验测定是在 相似原理指导下进行的。可以说，在相似原理指 导下的实验研究是目前获得表面对流换热系数关 联式的主要途径。
c
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由上述讨论可知，影响对流换热的因素确实很多， 因而对流换热是受多变量作用的复杂函数，可定性地 表示如下：
h f ( , l , , , cp , tw , t f , )
式中： l 称为定型尺寸，用于描述壁面的几何特征；
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对流传热的特点：
(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 (3) 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
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热对流 & 对流换热
热对流—由于流体的宏观运动，从而流体的各部分之 间 发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量 传递过程。 对流传热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 从机理上讲，对流换热除了紧贴壁面的流体依靠微观 粒子运动的导热之外，离开壁面的流体依靠宏观运动 储存和输运热量。
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的出发点，那就是都要在对物理问题进行简化假设
后，获得问题的数学描写。然后对该问题进行区域
的离散和方程的离散，将数学上复杂的偏微分方程
转化为计算机擅长求解的代数方程，通过一定的判
据获得收敛的空间和时间上的离散解。
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目前在数值传热学界所采用的方法有很多，主
牛顿冷却公式（1701）
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
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如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题 （过程量 !!）
对流换热系数是一个受众多因素影响的变量，事 实上，我们研究对流换热的主要目的就是找出各因素 对对流换热的影响有多大，进而整理出对流换热系数
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5.1 对流传热概述 5.1.1 定义
对流换热是流体与固体壁之间有相对运动、且存在 温度差时所发生的热量传递过程。
对流换热与热对流不同，既有热对流，也有 导热，它已不是基本传热方式。
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5.4 相似原理
5.5 特征数试验关联式的确定和选用
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本讲要点
掌握对流换热的机理 对流、对流换热
掌握对流换热微分方程的一般表达式 掌握对流换热的主要影响因素 流动起因、流动状态、物性、几何形状 理解对流换热系数是过程量
了解对流换热微分方程组的推导过程 尤其是能量方程
对流传热的基本公式
hA tw t W ----流体被加热 热流量： hA t tw W ----流体被冷却
热流密度：q A h tw t f W m 2 h ———对流传热系数 W m 2 K A tw t f
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传
热
Heat Transfer
主讲教师：潘振华
Email: lstpzh@
学
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第五章 对流传热原理
5.1 对流传热概述
5.2 流动边界层和热边界层 5.3 边界层对流传热微分方程组
的表达式 。
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5.1.2 应用举例
应用一： 晾衣服
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应用二： 电子元器件的冷却
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1. 流动的起因
自然对流换热 流动由于流体内部的密度差 所引起的 流动由于泵、风机或其他外 部动力源所造成
强迫对流换热
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