传热学 第五章 对流原理.

第五章
对流换热
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，并简要介 绍用因次分析法确定对流换热系数的方 法等。
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.按流体流过壁面情况分类：内部（有界）流 动对流换热和外部（无界）流动对流换热。

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。
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
Hale Waihona Puke Baidu
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。
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）。
x
x
f
w x
t x ( ) w, x (t f tw ) x y
f
（５.３）
式(5-3)描述了对流换热系数与流体温度场的关系，称为 对流换热过程微分方程式
由式可知：在流体性质和传热温差一定的情况 下，对流换热系数α 的大小取决于边界层内的 温度梯度。一切能提高温度梯度的因素都能强 化换热过程，反之，将削弱换热过程。对于不 存在相变(如无沸腾、冷凝现象)的单相流体对 流换热过程，各种因素往往通过影响边界层厚 度而影响。 如果层流底层的厚度减小，则相应的温度边界 层的厚度也要减小，从而使得温度梯度上升， α 也增高。因此，通过改善流动状况，使层流 底层厚度减薄，是强化对流换热的主要途径之 一。 下面我们就着重围绕这一线索来分析各种因素 对α 的影响。


假定恒物性流体进入平板时的温度各处均匀 一致，为 tf ，平板表面温度也各处均匀一致， 为tw，且tf＞tw。由图可见；热边界层内，垂 直壁面法线方向上温度分布情况，是紧贴壁 面的流体温度等于壁面温度 tw ，随着离壁面 距离的增加，温度逐渐升高，直到某处等于 流体主流温度 tf ，以后基本不变。通常，把 无量纲过余温度比(t－tw）/（tf－tw）＝０的 壁面处到 (t － tw） /（ tf－ tw ）＝ 0.99处的那一 流体层视为热边界层，其沿壁面法线方向的 距离定义为热边界层的厚度，用符号δ t表示。
三、换热微分方程式
温度差主要集中在热边界层内，通过紧贴壁面的层流边 界层和层流底层的热量只能以导热方式进行 , 由付立 叶定律计算: t qx f ( ) w, x (a)
y
所有的传热量都必须通过这薄层流体，局部换热系数为 αx，据牛顿冷却定律： （b) q (t t )
5.1 速度边界层和热边界层
对流换热是导热和热对流同时起作用 的过程，过程中所传热量的基本计算依据是 牛顿冷却定律，即 Ｑ＝αＡ（tf－tw） W 或 q＝α（tf－tw） W／m２ （5-1）
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。

5.2
影响对流换热的因素很多，研究表 明，对流换热的强弱与流体的流动原因、 流态、流体的性质、壁面的几何特征以 及流体相对于壁面的位置、流体有无相 变等有关。
一、流体流动的原因 根据引起流体流动的原因，可将对流换 热分为受(强）迫流动对流换热和自然对 流换热两大类。 如果流体的流动是由泵、风机或其他压 差作用所造成，称受（强）迫流动。油 气输送管线，伴热管线中流体与壁面的 换热、大中型内燃机中流过散热器中的 水、风等都属于此类。 当流体在管内受迫流动时，边界层的形 成和发展如图5-4所示。
二、热边界层 热边界层又称温度边界层，它和速度边 界层的概念相类似。实验表明，当流体 流过与其温度不同的固体壁面时，在紧 贴壁面的那一层流体中，沿壁面法线方 向温度发生显著变化，流体的温度由壁 面温度变化到主流温度。传热学中，把 温度发生剧烈变化，具有明显温度梯度 的这一流体薄层称为热边界层。 图 5-2 为流体流过平板时热边界层的形成 和发展过程。

当粘性流体以主流速度 vf 流过固体壁面 时，由于流体的粘性产生的壁面的摩擦 力，使紧贴壁面处流体的速度降为零， 离壁面愈远的流体速度愈接近于来流速 度vf，沿壁面法线方向上出现速度梯度。 流体力学中，把具有明显速度梯度的那 一层流体薄层叫做速度边界层，图5-1表 明了速度边界层在平板上的形成和发展 过程。

显然，流体温度的分布与流体的流动有关， 深受速度边界层的影响。流体呈层流状态时， 流体微团沿相互平行的流线进行，没有横向 流动，不发生物质交换，壁面法线方向上的 热量传递，基本上靠分子的导热进行，层内 温度变化较大，温度分布呈抛物线型。对于 紊流边界层，其中层流底层的热量传递也是 靠导热，而在紊流核心层的热交换，除靠分 子的导热外，主要靠流体涡流扰动的对流混 合，从而使得层流底层的温度梯度最大，而 在紊流核心层温度变化平缓比较均匀一致。