4.3_对流传热解析
对流传热分析
对流换热分析通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。
1. 对流换热概述1.1. 定义及特性对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。
在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。
牛顿冷却公式q=ℎ×(t w−t f)是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。
研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。
1.2. 影响对流换热的因素(1)流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。
(2)流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。
(3)流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。
(4)流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。
(5)换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。
综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数ℎ=f u,t w,t f,c P,ρ,α,μ,l这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。
1.3. 分析求解对流换热问题分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。
同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。
在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数ℎx=λΔt x ðtðy w,xW/(m2·K)由上式可有ℎx=λΔθx ðθðy w,xW/(m2·K)其中θ为过余温度，θ=t w−t f。
4.3 对流传热
4-39
由于弯管处受离心力的作用，存在二次环 流，湍动加剧，增大。
图4-11 弯管内流体的流动
d．非圆形直管内强制对流 套管环隙：
d2 0.53 0.02 R P ( ) de d1
0.8 e 1/ 3 r
4-40
式中： d1`、d2——分别为套管内管外径或外管内径。 适用范围：d2/d1=1.65～17，Re=1.2×104～2.2×105
Q A(tw2 t )
4-20
4-21
Q A(T tW 1 )
4.3.3 影响对流传热系数的因素
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。 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 的浮升力，造成流体内部质点的上升和 下降运动，一般u较小，也较小。
du a l k gtl g C( ) ( ) ( ) 2
3 2
cp
4-30
二、定性温度、特性尺寸的确定 1、定性温度 由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在 处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以 确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值 的温度称为定性温度。 定性温度的取法： 1）流体进出口温度的平均值：
层流流动时，由于流体质点只在流动方向 上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此 时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由 于流体内部存在温差还会有少量的自然对流， 此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍 流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热 情况。 流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别 为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。 层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运 动，在传热方向上无质点的混合， 温度变化大，传热主要以热传导的 方式进行。 导热为主，热阻大，温差大。
化工流体流动与传热4.3 对流传热概述
换热器任一截 面上热流体的 平均温度
换热器任一截 面上与热流体 相接触一侧的 壁温
17
2. 热边界层
λ dt λ dt ( )w = − ( )w 因此有 α = − T − Tw dy ∆t d y
上式为对流传热系数的另一定义式， 上式为对流传热系数的另一定义式，该式表 对于一定的流体和温度差， 明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附 近的流体层的温度梯度， 近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。 热边界层的厚薄影响层内的温度分布， 热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而 影响温度梯度。当边界层内、 影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定 热边界层愈薄， 愈大， 时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而α就 愈大。反之，则相反。 愈大。反之，则相反。
24
4.3.3 保温层的临界直径
dc
图4-15 保温层的临界直径
25
第 4 章 传热
4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 传热过程计算
4.4.1 热量衡算
26
热平衡方程
假设换热器的热损失可忽略， 假设换热器的热损失可忽略 ， 则单位时间 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 对于换热器的微元面积d 对于换热器的微元面积 dS ， 其热量衡算式 可表示为
dQ = α i (T − Tw )dS i =
λ
b
(Tw − t w )dS m = α o (t w − t )dS o
或
T − Tw Tw − t w tw − t dQ = = = 1 b 1
α i dSi
λ dS m
α o dS o
dQ = K (T − t )dS
对流传热的基本概念及传热方程讲解
q导
T y
|y0
18
而 q导 应该等于(9-2)式中的 q，即：
q导Ty|y0h(TTs)
从而得到(9-3)公式：
hTy|y0 (TTs)
19
9.2 、热量传输方程 －傅立叶-克希荷夫导热微分方程
本节将用微元体法导出含有对流条件下的流体中的 热量传出方程。 做下列假设： 1) 没有内热源（如化学反应热效应）产生 2) 流体流速不高，由粘性引起的耗散热可忽
对流传热的基本概念 及传热方程讲解
1
一、特点(Features)
对流传热是研究有流体（气、液及其混合物）存在 的传热物质体系中，通过流体的流动（质量团的宏 观迁移）产生的热量传热现象及热量传输速率和温 度分布的定量分析。
在工程中常见到的也是具有重要的工程意义的对流 传热情况就是某种流动流体与固体壁之间的界面对 换热。
适当流速。
6
2、流体的物性量 λ↑，热阻 δ / λ 小↓，h↑ h水= 20h空气 ρc↑载热能力强，热交换强，h↑ η↑滞止作用大，δc厚 ，减弱对流，h↓ 需要综合考虑：如水，粘性大，但ρc、λ也大。因
此比空气（粘性小）的换热系数大的多。
7
3、壁面几何尺寸、形状、位置： 垂直放置h↑，水平放置h↓（顺流动方向放
下降，随流动 x 增加，温度影响层增大，δ(x)增大。
9
10
温度边界层的厚度 δ T 是如下定义的: 当流体（其温度分布不均匀）温度为整体温度 T∞ 的99% 时，即： T (x, y, z) = 0.99T∞时所对应的距离平板的高度(δ T =y)，定义为温度 边界层厚度。
由于随着流体沿平板的流动距离 x 增加，流体与平板接触时间加 长，增加了流体与平板之间的传热量。所以受平板较低温度的影 响范围增加。即δT(x)随 x 增加，从而δT 增加。
对流传热的内容分析
对流传热的内容分析化学生物学专业学生：蒲金远指导老师：彭刚摘要对流传热是在流体流动过程中发生的热量传热现象。
工业生产当中遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固定壁面进行的热交换，即热流体将热量传给固体壁面，再由固体壁面将热量传给冷流体，这种传热亦常称为给热。
因为它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，故对流体传热与流体状况密切相关。
关键词对流传热流体1．对流传热分析在工程上，对流传热是指流体固体壁面的传热过程，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。
因此与流体的流动情况密切相关。
热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流体。
由流体力学知，流体流经圆体壁面时，在靠近壁面处总有一薄层流体顺着壁面做层流流动，即层流底层。
当流体做层流流动时，在垂直于流动方向的热量传递，主要以热传导方式进行。
由于大多数流体的导热系数较小，故传热热阻主要集中在层流底层中，温差也主要集中在该层中。
而在湍流主体中，由于流体质点剧烈混合，可近似的认为无传热热阻，即湍流主体中基本上没有温差。
在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，在过渡区内，热传导与热对流均起作用使该区的温度发生缓慢变化。
所以，层流底层的温度梯度较大，传热的主要热阻即在此层中，因此，减薄层流底层的厚度δ是强化对流传热的重要途径。
在传热学中，该层又称为传热边界层。
综上所述，对流传热是以层流底层的导热和层流底层以外的以流体质点做相对位移与混合为主的传热的总称。
为了处理问题方便，一般将有温度梯度存在的区域，即层流底层和过度区称做传热边界层，传热的热阻主要集中在层流底层。
图1-1表示。
2．影响对流热的因素对流传热既有分子间的微观热传导作用, 又有流体宏观位移的热对流作用,是一种复杂的热传递过程, 以牛顿冷却定律Q = A$t 来计算通过传热面的传热量Q, 虽然形式简单, 但影响对流传热的许多因素都归纳到对流传热系数之中了, 使得A的变化错综复杂, 难以确定。
具体地说, 对流传热与以下几方面有关。
对流传热系数详解课件
利用粒子图像测速系统，结合温度 测量技术，获取流体的速度场和温 度场分布，从而计算对流传热系数 。
数值模拟优化
计算流体动力学（CFD）
通过建立流体的数学模型，利用计算机模拟流体的流动和传热过 程，优化对流传热系数的预测。
人工智能与机器学习
利用人工智能和机器学习算法，对大量历史数据进行分析和学习， 提高对流传热系数的预测精度。
通过对流传热系数的测量和评估，可 以合理设计建筑外围护结构，提高建 筑物的保温、隔热性能，降低建筑能 耗，同时为建筑环境设备如空调系统 的优化提供依据。
能源利用与节能
在能源利用与节能领域，对流传热系数是评估能源转换和利用效率的关键参数。在燃烧、热力发电等 过程中，对流传热系数的优化有助于提高能源转换效率。
在工业热力过程中，对流传热系数的大小直接影响到换热 器的设计、热能利用率以及工业设备的性能。通过研究和 优化对流传热系数，可以提高工业生产的效率和能源利用 水平。
建筑环境与设备工程
在建筑环境与设备工程中，对流传热 系数是评估建筑外围护结构热工性能 的重要参数。外围护结构的传热性能 直接影响到建筑物的能耗和室内环境 舒适度。
多物理场耦合模拟
考虑流体的多物理场特性，如流动、传热、化学反应等，进行耦合 模拟，以更准确地模拟对流传热过程。
强化传热技术
01
02
03
表面强化技术
通过改变流体接触面的材 料和结构，如采用粗糙表 面、微细沟槽或添加增强 材料，提高传热效率。
插入物强化技术
在流道中插入导热性能良 好的材料或结构，如肋片 、螺旋线圈等，增加传热 面积和传热速率。
经验公式法通过对大量实验数据进行统计分析，得出对流传热系数的计算公式。 这些公式通常基于一些物理参数，如流体的性质、温度、压力等。使用经验公式 法可以快速估算对流传热系数，但精度受到实验数据和经验总结的限制。
4.3对流传热
p t s
（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大
30
27
r’=r+cp(tv-ts)
影响较小
(5) 传热面情况 设置导流槽，减薄液膜厚度，
（二）液体沸腾时的对流传热 大容器沸腾 和 管内沸腾 1、沸腾现象 沸腾必要条件： 存在汽化核心
在粗糙加热面的细小凹缝处：
汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面 新汽泡形成搅动液层 • 过热度 t=（t－ts）
（1）膜状冷凝 （2）滴状冷凝
冷凝过程的热阻——冷凝液膜 滴 > 膜
23
2、 蒸气在水平管外膜状冷凝
2 gr3 0.725 n2 / 3 d t 0
r——比汽化热
1 4
n——水平管束在垂直列上的管数
t s tW 定性温度：tSr，其它膜温 t 2
一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)
简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)
10
3、使用准数关联式时注意 （1）应用范围
（2） 特征尺寸
（3）定性温度 强制对流
无相变
自然对流
蒸汽冷凝 液体沸腾
有相变
11
四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式
（一）流体在管内强制对流传热
L Nu
表示对流传热系数的特征数
（2）雷诺（Reynolds）数
Re
L u
反映流体的流动状态 对对流传热的影响
9
（3） 普兰特（Prandtl）数
Pr
Cp
L gt
3 2
反映流体的物性对对流传 热的影响
管强制对流传热计算[详解]
4.3.4 管内强制对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。
由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re<2300 时，流体的流动为层流状态，当Re>10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300<Re<10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。
对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。
由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。
当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。
一般认为时，就可忽略自然对流的影响；当时，则按单纯自然对流处理，介于其间的情况称为混合对流传热。
应当指出，图4-18的对流传热规律是在流动充分发展的情况下的结论。
从第一章可知，当流体由大空间流入一圆管时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管内壁上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
通常将流动边界层及热边界层汇合于圆管中心线后的流体流动或对流传热称为已经充分发展的流动或对流传热，从进口到充分发展段之间的区域则称为入口段。
入口段的热边界层较薄，局部对流传热系数比充分发展段的高，随着入口的深入，对流传热系数逐渐降低。
如果边界层中出现湍流，则因湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，再逐渐趋向一定值，上述规律如图4-19所示。
图中为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。
对于管内强制对流，实验表明，热入口段的长度lt与管内径d之间存在以下关系层流时管壁上温度恒定（4-71a）管壁上热通量恒定（4-71b）湍流时（或40～60）（4-72）通常，工程上的对流传热主要讨论全管长上的平均对流传热系数。
对流传热分析
这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换 热过程可能千差万别。
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2.1. 连续性方程
二维常物性不可压缩流体稳态流动连续性方程： ������������+������������=0
������������ ������������
2.2. 动量微分方程式
动量微分方程式描述流体速度场，可从分析微元体的动量守恒中建立。
它又称纳斯－斯托克斯方程，简称 N·S 方程。
6.1.1. 相似性质
(1)用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象称为同类现 象。只有同类现象才能谈相似问题。(边界条件是否要相同)
(2)彼此相似的现象，其相关的物理量场分别相似。 (3)彼此相似的现象，其同名相似准则必定相等。
6.1.2. 相似准则间的关系
(1)物理现象中的各物理量不是单个起作用，而是由各准则数组成联合 作用。因此方程的解只能是由这些准则组成的函数关系式，称为准则关联 式。
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实验、测量什么参数、如何整理实验数据，如何推广应用所得的实验关联 式。对于同一组实验数据，不同人采用不同的准则关系式形式，完全可能 得到不同的实验关联式。衡量一个实验关联式的好坏应该考虑该公式是否 将所有实验数据拟合后的偏差最小，同时其参数范围是否广泛等。教材中 介绍的所有实验关联式都是前人经过大量实验研究并用相似理论方法整理 出来的研究成果，学习时要充分理解并注意其使用方法及参数范围。
对流传热分析和计算
对流传热分析和计算传热是物质内部或不同物体之间热量传递的过程，对流传热是其中一种重要形式。
通过对流传热的分析和计算，我们可以更好地理解和应用这一过程，以满足需求和优化能源利用等方面的目标。
本文将介绍对流传热的基本原理、分析方法和计算模型。
一、对流传热的基本原理对流传热是指通过流体（如气体或液体）的运动，将热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在对流传热中，流体既可以通过自然对流（由密度和温度梯度引起的流动），也可以通过强制对流（通过外部装置引起的流动）来实现热量的传递。
对流传热的基本原理可以通过牛顿冷却定律来描述，即传热速率与温度差成正比。
牛顿冷却定律的一般表达式如下：q = h * A * (T1 - T2)其中，q表示单位时间内传递给或从物体中传出的热量；h为对流传热系数，代表了对流传热的特性；A为接触面积；T1和T2分别为两个物体的温度。
二、对流传热的分析方法对流传热的分析方法主要包括实验分析和数值模拟两种。
1. 实验分析实验分析是通过实际测量和观察来研究对流传热的过程和特性。
常用的实验方法包括热电偶测温法、平板法、圆管法等。
通过实验，我们可以获取到对流传热系数、传热速率等重要参数，为其他工程和研究提供参考和依据。
2. 数值模拟数值模拟是利用计算机和数值方法对对流传热进行模拟和计算。
通过建立数学模型、采用数值算法和边界条件，我们可以通过计算得到对流传热的各种参数和特性。
常用的数值模拟方法有有限元法、有限体积法和计算流体力学（CFD）等。
三、对流传热的计算模型对流传热的计算模型是通过数学方程和物理模型来描述和计算对流传热的过程。
在对流传热的计算模型中，需要考虑流体的性质、流动的速度和流动的特性等因素。
1. 粘性流体模型在粘性流体模型中，对流传热的计算将考虑流体的黏性和流速的分布等因素。
一般来说，黏性流体模型适用于流速较低、流动较平稳的情况。
2. 湍流模型湍流模型适用于流速较高、流动较复杂的情况。
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传热推动力(温度差t) 传热速率Q 传热热阻R
dQ T TW q (T Tw ) 1 dS
(4-23) , P220 ☆ 牛顿冷却 定律 / 对流传热速率方程
Q ―对流传热速率, W
S ―传热面积, m2
T ―热流体的平均温度, º C TW ―壁面温度, º C ―对流传热系数, W/(m2·º C)
（4）若管子本身半径大于rc , 对于绝热层, r0 ↑, Q ↓
4.3.3 保温层的临界直径
l
r1 t1 r0
t Q R1 R2
t r0 1 1 ln 2πLl r1 2πr0 L
讨论:
（1）半径r0 rc 细管加绝热层，保温层厚度增加时，总热阻减 小，散热量增大——散热过程，比如电线 （2）当绝缘层厚度增大到r0= rc 时，总热组最小，散热量最大 （3）当绝缘层厚度r0 rc， r0 ↑, R↑，散热量↓ —— 保温过程， 绝热层越厚越有绝热作用
靠近管壁处总存在着一层层 流内层。 热量只能以热传导方式通过层流内层。虽然层流内层的厚度很 薄，但导热的热阻值却很大，因此层流内层产生较大的温度差。 另一方面，在湍流主体中，由于对流使流体混合剧烈，热量 十分迅速的传递，因此湍流主体中的温度差极小。
对流传热的温度分布
湍流主体：温度均一以对流源自热为主4.3对流传热概述
4.3 对流传热概述
一、对流传热速率方程 二、对流传热机理 三、保温层的临界直径
对流传热
冷热两个流体通过金属壁面进行热量 交换时，由流体将热量传给壁面或者由 壁面将热量传给流体的过程称为对流传 热（或给热）。
根据流体在传热过程中的状态, 对流传热可分为两类:
流体无相变的对流传热
获得的主要方法：
理论分析法 解析求解、数值求解 实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。
教材中P221，表4-5，请比较空气和水 强制对流下的对流传热系数
4.3.2 对流传热机理简介
对流传热的分析
对流传热是层流内层的导热 和湍流主体对流传热的统称。 流体沿固体壁面流动时，无
论流动主体湍动的多么激烈，
dQ T TW q (T Tw ) 1 dS
假定整个传热面上温度均一，对流传热系 数均一（工程计算上都用平均值），则有：
总传热面积 流体与壁面间的温度 差的平均值
t （4-24）： Q St 1 平均对流传热系数 S
对流传热热阻
牛顿冷却定律： Q S T Tw
流体有相变的对流传热
强 制 对 流 传 热
自 然 对 流 传 热
蒸 汽 冷 凝
液 体 沸 腾
4.3.1 对流传热速率方程 和对流传热系数 工业生产中大量遇到的流体在固体表面时与该表面 所发生的热量交换。这一过程称为对流传热。
W1，T1
W2 ， t 1 dS
T2
t2
推动力 对于传递过程，总是有： 传递速率 阻力
滞流内层： 明显的温度梯度
以热传导为主
缓冲层： 热传导与对流均起作用， 温度连续变化
一般将流动流体中存在温度梯
度的区域称为温度边界层，亦 称热边界层。
对流传热的总结：
（1）热对流总是伴随着热传导； （2）层流时，相邻流体层内无宏观运动， 故在垂直于流动的方向上只有热传导；
（3）湍流时，层流内层构成了传热的主要阻力。