传热学第4章对流换热(Convective Heat Transfer)
《传热学》课后习题答案-第四章
t k i，j 1 t k i，j t k i，j 1 t k i , j r r rj rj r 2 r 2 rj r
并简化，可以得出与上式完全一样相同的结果。
4-7、 一金属短圆柱在炉内受热厚被竖直地移植到空气中冷却， 底面可以认为是绝热的。为用数值法确定冷却过程中柱体温 度的变化， 取中心角为 1rad 的区域来研究 （如本题附图所示） 。 已知柱体表面发射率，自然对流表面传热系数，环境温度， 金属的热扩散率，试列出图中节点（1，1） ， （M,1）(M,n)及 （M,N） 的离散方程式。 在 r 及 z 方向上网格是各自均分的。 解：应用热平衡法来建立四个节点点离散方程。 节点（1，1） ：
， 离散方程的建立 4-5、试将直角坐标中的常物性无内热源的二维稳态导热微分方程化为显式差分格式，并指 出其稳定性条件（ x y) 。 解：常物性无内热源二维非稳态方程微分方程为
4.3636t 2 2.53t1 1.8336t f
t2
2.53t f 1.8336t f
2t 2t t a x 2 y 2
Bi=0.1,1,10 的三种情况计算下列特征方程的根
n (n 1,2,6) :
n a Fo 2 0.2 并用计算机查明，当 时用式（3-19）表示的级数的第一项代替整个级数（计
算中用前六项之和来替代）可能引起 的误差。 解： n Bi 0.1 1.0 10
tan n
第四章
复习题 1、 试简要说明对导热问题进行有限差分数值计算的基本思想与步骤。 2、 试说明用热平衡法建立节点温度离散方程的基本思想。 3、 推导导热微分方程的步骤和过程与用热平衡法建立节点温度离散方程的过程十分相似， 为什么前者得到的是精确描述，而后者解出的确实近似解。 4、 第三类边界条件边界节点的离散那方程，也可用将第三类边界条件表达式中的一阶导数 用差分公式表示来建立。试比较这样建立起来的离散方程与用热平衡建立起来的离散方 程的异同与优劣。 5．对绝热边界条件的数值处理本章采用了哪些方法？试分析比较之． 6．什么是非稳态导热问题的显示格式？什么是显示格式计算中的稳定性问题？ 7．用高斯－塞德尔迭代法求解代数方程时是否一定可以得到收敛德解？不能得出收敛的解 时是否因为初场的假设不合适而造成？
工程传热学双语 四川大学Chapter 4-convective heat transfer
4.1 Some Preliminary Concepts Regarding Convective Heat Transfer 对流传热概论 4.2 An Exact Laminar Boundary Layer Theory 边界层理论 4.3 Correlation of Heat Transfer Data 传热关联式 4.4 Heat Transfer Analysis in Pipe Flow 管内对流传热分析 4.5 Models of Convection in Laminar Flows 层流对流传热模型
流体流过壁面,而且与壁 面存在温度差时,流体与 壁面间的热量传递过程 称为对流传热。
u∞，T∞ Q
Ts
Ts < T∞ 总体要求 ： • 定性—对流换热基本概念，强化对流换热的机理 • 定量—表面传热系数计算，换热量计算
对流特点 • 流体的宏观运动 + 微观的导热 • 流动与换热密不可分 • 对流换热的机理与通过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关
thermal diffusivity 热扩散率
α = k ρC p
δ ⎛v⎞ = fn ⎜ ⎟ = fn (Pr ) Pr = v δ' ⎝α ⎠
α
fn ( Pr ) = Pr1 3
j-factor for heat transfer 传热 j 因子
f Nu = Re Pr1 3 2
jH ≡
Nu RePr 1 3
−1
friction factor f 摩擦因子
f ≡
τ
1 ρU 2 2
= CD δ ≡
1 2
μU fρ U
对流换热
第八讲对流换热convection heat transfer§8-1 对流换热基本概念一、对流换热过程：对流：是指物体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递方式，必有导热。
对流换热：流体流过一物体表面时对流与导热联合作用的热量传递过程。
牛顿冷却定律Newton’s law of coolingwt ft 如：f w t t t -=∆th q ∆=hAtt Ah qA Φ1∆=∆==为对流传热热阻hA R 1=二、流动边界层1. 流动(速度)边界层：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度(boundary layer thickness):达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离边界层的特点(1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.•分界点Re c=3X105~3X106,一般可取Re c=5X105•在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2) δ=δ(x) x↑δ(x)↑(3) δ(x) << x δ(L) << L(4) 流场分为: 主流区(undisturbed flow regime)(potential)边界层区(boundary regime)三、换热微分方程无滑移边界条件（傅里叶定律）0=∂∂-=y yt A λΦ变化率贴壁处流体的法向温度式中：→∂∂=0y y t 联立，得与牛顿冷却公式t hA ∆=Φ0=∂∂-=y y t t h ∆λ四、影响对流换热的因素⏹流动产生的原因：受迫流动，自然对流⏹流体流动情况：层流（Re<2300），紊流（Re>10000）⏹流体的物性：ρ、λ、η等⏹换热面的形状和位臵⏹流体集态的改变§8-2 对流换热基本方程组1.连续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u •2.动量方程(momentum equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222y v x v y p F y v v x v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ητρητρ惯性力(inertial force)体积力(body force)压力梯度(pressuregradient)粘性力(viscous force)3.能量守恒方程（energy equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t x t a y t v x t u t τ能量变化对流项导热项以此五个量为分析基础。
传热学复习
第一章绪论1、热流量(heat transfer rate)单位时间内通过某一给定面积的热量2、热流密度(heat flux ):通过单位面积的热流量。
3、热对流(heat convection):流体的宏观运动引起的流体各部分之间的相对位移，冷热流体相互渗透导致的热量传递过程。
4、对流传热(convective heat transfe):流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程。
自然对流(natural convection):流体冷热部分的密度不同引起。
强制对流(forced convection)：流体的流动是由于水泵风机或其他压差作用热辐射(thermal radiation)：因热的原因发出辐射能辐射传热(radiation heat transfer是指物体辐射与吸收过程的综合结果。
黑体Black body:能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。
10、传热过程overall heat transfer process：)是热量在被壁面隔开的两种流体之间的热量传递过程。
11、传热系数k(overall heat transfer coefficient)12、牛顿冷却公式h=表面传热系数convection heat-transfer eoeffieient, W/m2・°Celectromag netic radiati on 电磁辐射vacuum 真空con versi on 转换斯忒藩-玻耳兹曼定律Stefan-Boltzmann Law Stefa n-Boltzma nn con stant£ - emissivity 发射率(黑度) Stefa n-Boltzma nn con sta nt_8 2 4 - 5.67 10 W/m K稳态传热steady-state heat transfer热阻Thermal resista nee第二章稳态热传导Steady-state heat con duct ion1、温度场Temperature field绝热材料Heat insulating materials2、热扩散率thermal diffusivity , m2/s3、边界条件Boundary Conditions4、一维稳态导热One-dimensional steady state heat conduction5、单层平壁Single plane wall So：(t2 "t i)6单层圆筒壁t 2=t i-q「'i十?n^ln(r/r i)R =ln( J rj _ ln( d? d i) 一2- - l5、6、7、8 过余温度 excess temperature 日 =t _ t^九A ce总 ch[m(H - x)] 0ch (m H )18 "°ch(mH)(atX —H )7 肋片 Fin --- extended surface on circular tube or plane wall 依附于基础表面的扩展 表面 矩形的rectangular2 hP①=XAd6dxhP= ---- 日 0th (m H )」m9肋效率Fin efficiency :实际散热量：假设整个肋表面处于肋基温度下得散热量第三章 非稳态导热Un steady heat co nduction 温度随时间变化的导热1正规状况阶段regular regime 不受初始温度的影响 Initial condition 初始条件 Boundary condition 边界条件 2 毕渥数 Biot Number h 心； R Bi = ---- = —— = —z九 仃h R h3、 集中参数法 Lumped-heat-capacity method4、 傅里叶数 Fourier number 指数曲线 exponential curve 时间常数 time constant5、 热电偶thermocouple 适用性，适用范围 即plicability 特征长度 characteristiclen gth丄 丄一a (V/A)2t - J _e-[hA/FcVkFot ° - t :：时间常数：When . - ：?cV/ hABi =— -0.16 海斯勒图 Heisler Charts Fo>0.27、 离散方程 discretization equation 内节点 inner grid points 8、 热平衡法 Thermal balanee method9、- 0ewns■日-r = exp 「BV F O V )-0 t -tot t• Im4,n m,ny x△ x=巴. 次人门1-t mn :吕!匸！mn =0xyyJJ1 J a・r —f1 *--1 -m ，n -im’nr 1 Im-1,nm+1,n2・t1 (2 t t2 xcwX n 、0【mn = ；(2tm」,n +°门屮 +[mnj + 十丿=U4丸 k夕卜部角点 the exterior corner node2・t=l(t= +t + Xfn + 24 xqim,nm -1,nm,n -122九 人内部角点 the interior corner node第五章对流传热1、强制对流 forced convection 自然对流 natural/free convection 相变 phase change 层流 laminar 湍流 turbulent 管束 tube banks 竖向的 vertical 水平的 horizontal 局部表面传热系数 local convective heat transfer coefficient 粘性 viscous 质量流量 mass flow 焓 enthalpy 动量 momentum2流动边界层Flow boundary layer ：流体的速度随着离开壁面距离的增加急剧增 加，经过一个薄层后速度增长接近主流速度。
对流换热系数
对流换热系数对流换热是一种重要而广泛应用的传热方式，在工程领域中有着重要的应用。
对流换热系数是描述对流换热过程性质的一个重要参数，它决定了换热的效率和速率。
本文将介绍对流换热系数的定义、影响因素以及计算方法。
定义对流换热系数（Convective Heat Transfer Coefficient）是指在流体与物体之间的传热过程中，单位面积上的热量传递量与温度差之比。
对流换热系数的单位是[W/(m^2·K)]，表示单位面积上的热量传递量（单位是W）在温度差（单位是K）下的变化量。
影响因素对流换热系数受多个因素的影响，下面列举了一些主要因素：流动状态流动状态是指流体在传热过程中的流动形态。
一般而言，对流换热系数在湍流状态下较大，而在层流状态下较小。
湍流状态下，流体的速度分布较为复杂，产生的湍流涡旋有利于热量的传递，因此对流换热系数增大。
层流状态下，流体速度分布较为均匀，湍流涡旋较少，导致传热速率较慢，对流换热系数较小。
流体性质流体的性质也会对对流换热系数产生影响。
一般而言，流体的导热性能越好，对流换热系数越大。
此外，流体的物理性质如密度、粘度等也会对对流换热系数产生影响。
例如，流体的粘度越大，对流换热系数越小。
流体属性流体属性指的是流体的运动特性，包括流速、改变流动方向的装置、表面粗糙度等。
流速越大，对流换热系数越大。
在流体通过管道或管束等装置时，装置的几何形状和尺寸也会影响对流换热系数。
表面粗糙度越大，对流换热系数越大。
温度差温度差是指流体和物体之间的温度差值。
温度差越大，对流换热系数越大。
这是因为温度差越大，传热驱动力越大，导致对流换热系数增大。
计算方法计算对流换热系数的方法有多种，常用的包括理论计算方法和实验测量方法。
理论计算方法理论计算方法是基于基本的传热方程和传热模型进行计算。
常用的理论计算方法有经典的Dittus-Boelter公式、Gnielinski公式以及Churchill-Bernstein公式等。
传热学-第四章 对流换热的理论分析第一讲-动力工程
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
传热学对流换热ppt课件
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。
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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
对流换热convectionheattransfer
第五章对流换热 convection heat transfer§5-1 对流换热概说对流换热:流体流过固体壁面情形下所发生的热量互换.对流换热以牛顿冷却公式为其大体计算式,既t h q ∆=或关于面积为A 的接触面 m t hA ∆=Φ其中△t 为换热面积q 及F 老是取正值,因此△t 及△t m 也老是取正值.一 对流换热的分类①强制对流(forced convection):由于泵,风机,或压差等流体本身之外的动力产生的流动换热.②自然对流(natural convection):由于流体的密度差产生的浮力作用产生的流体流动换热.③混合对流(mixed convection):自然对流和强制流动换热并存.单相介质传热:对流换热时只有一种流体.相变换热:传热进程中有相变发生.物质有三态,固态,液态,气态或称三相.相变换热有分为:沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变成气态时发生的换热. 凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变成液态时发生的换热.熔化换热(melting heat transfer)凝固换热(solidification heat transfer)升华换热(sublimation heat transfer)凝华换热（sublimation heat transfer ）3.按流动形式分层流流动换热(laminar heat transfer)湍流流动换热(turbulent heat transfer)管内(槽道内)流动(flow in ducts )外部绕流(around vertical plant)对流换热的分类表⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧管内凝结管外凝结凝结换热管内沸腾大容器沸腾沸腾换热有相变有限空间自然对流大空间自然对流自然对流射流冲击换热的对流换热外掠其他截面形状柱体热外掠圆管管束的对流换热外掠单根圆管的对流换外掠平板的对流换热外部流动对流换热其他形状截面管道内的圆管内强制对流换热内部流动强制对流混合对流无相变对流换热二、对流传热的大体公式化 ( h 的确信方式)t h q ∆= 2m Wt hA qA ∆==Φ W 无滑移边界条件：0=∂∂-=Φy y tA λ 令上两式相等那么有：0=∂∂-=∆y y tA t Ah λ 那么：0=∂∂∆-=y y tt h λ§5-2 对流换热问题的数学描述一、假设条件为简化分析,关于阻碍常见对流换热问题的要紧因素,做如下假设(1)流动是二维的;(2)流体为不可紧缩的牛顿行流体;(3)流体物性为常数,无内热源;(4)流速不高,忽略粘性耗散(摩擦损失) ;(5)二维二、能量方程的推导.dx dy y t t dy y v v p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+tdxvc p ρ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-dx X t x t dy 22λdy dx x t t dx x u u c p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+ρO y利用热力学第必然律有导入的净热量+流入的净热量=系统内的焓增在x 方向上导入的净热量有dxdy xt 22∂∂+λ 在y 方向上导入的净热量dxdy y t 22∂∂+λ在x 方向上流入的净热量dxdy x t u c dxdy x u t c dxdx x t x u x t udx tdx x u ut dy c tdy uc dy dx x t t dx x u u c tdy uc p p p p p p -∂∂-∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂+∂∂+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+-ρρρρρρρ 略去高次项后得 dxdy x t u xu t c p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-ρ 同理得Y 方向上的净热量 dxdy y t v yv t c p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-ρ 单位时刻内的微元操纵体内的焓增 τρ∂∂t dxdycp 代入热力学第必然理得 dxdy y t v y v t x t u x u t c dxdy yt dxdy x t t dxdyc p p ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂+∂∂-∂∂+∂∂=∂∂ρλλτρ2222⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂y t v x t u y v x u t y t x t c t p 2222ρλτ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t xt a y t v x t u t τt a D Dt 2∇=τ zw y v x u D D ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=ττ 三.对流换热微分方程组.1.持续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u 2.动量方程(momentum equation)⎪⎫⎛∂+∂+∂-=⎪⎫ ⎛∂+∂+∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222v v p F v v v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ηρητρ 3.能量守恒方程（energy equation ） ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t xt a y t v x t u t τ0=∂∂∆-=y y tt h λ未知量：u, v, p, t, h方程： 五个方程组是封锁的,可求解实际的变量只有四个u, v, p, t , 在方程上与h 无关.强烈非线性四.定解条件.1.初始条件2.边界条件:第一类边界条件,规定边界上流体的温度散布.第二类边界条件,给定边界上加热或冷却流体的热流密度.为何不用第三类边界条件？五、求解方式⏹解析解：解微分方程组⏹数值解：:用运算机⏹实验方式（理论分析法与实验相结合）⏹比拟法六、阻碍对流换热的因素●流速：V- h- V=0 无对流●物性－表征物质物理特性的物理量密度（density)，粘性（viscosity)，热导率(thermal conductivity)，比热（specific heat capacity)等其他条件相同时，不同的流体换热量不同，确实是因为物性不同●流体及壁面温度定性温度（reference temperature ）●流动状态，层流，紊流关于管流 ⎪⎩⎪⎨⎧≥≤≤≤44101022002200Re Re Re平板Re =2×105到3×106之间，一样取5×105 ●壁面形状,位置形状(平板,圆管)位置(横放,竖放,管内,管外)层流 过渡流（旺盛）湍流综上所述()()⋅⋅⋅=∆Φ=⋅⋅⋅=ΦwfpwfpttcuftAhttcuf,,,,,,,,,,,,ληρληρ特点尺度（character dimension）定性温度（reference temperature）Newton cooling law 只是一重处置方式,既将许多矛盾都加在h上。
传热学第四章对流换热原理
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
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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
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传热学-对流换热PPT课件
对流换热：工程上流体流过一物体表面时的热量传递过程。 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
➢ 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。
ρ↑、c ↑(单位体积流体能携带更多能量）→h↑ 4、动力粘度 µ [N.s/m2]、运动粘度 ν=µ/ ρ [m2/s]
µ ↑（有碍流体流动，不利于热对流）→h↓ 5、体膨胀系数 α [1/k]
α ↑（自然对流换热增强）→h↑
四、换热壁面的几何尺寸、形状及位置
影响到流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度， 从而影响对流换热系数。
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
五、 流体有无相变（流体相变）：
单相换热 Single phase heat transfer： 相变换热 Phase change：
凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
流体相变时吸收或放出汽化潜热比比热容大得多， 且破坏了层流底层强化了传热。
5、层流底层（贴壁流体层）
流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一层 流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加（即Re增加） 而减薄。
湍流核心
层流底层
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。
W/(m2 C)
——当流体与壁面温度相差 1°C时、单位壁面面积 上、单位时间内所传递的热量。
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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)
综合以上分析，可得
h f u , l , , , c p , ,
记住
本章的主要任务是如何求解对流换热系数，进而求得换热热流
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
本章主要用的基本假设及基本定律： 基本假设：连续介质；常物性 基本定律：质量守恒、能量守恒、牛顿力学定律 和傅立叶定律
——摘自一网友的言论
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
注意：研究区域或对象
h
tw tf
t y
y0
－－－换热方程
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
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
连续方程
u v 0 x y
动量方程
u u v u 1 p 2u 2u
x
y
x
x 2 y 2
u v v v 1 p 2 v 2 v
第三节：边界层
度边界层的作用：
将流场分为边界层内和边界层外两个区域 在边界层内速度变化比较剧烈，会产生较大的粘性切应力
u y
在边界层外速度变化率为零，粘性切应可以忽略不计，而把
流体作为理想流体处理，该区称为主流区，贝努力方程适用
（ vdp d u2 ，或 p u2 const）
2
2
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
min h
1 2
v2
gz in
x Wnet
忽略动能及势能的变化，假设流动和换热是稳态的，流体也不 做净功，有
Φ mouthout minhin
Φ H out Hin
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
能量方程的推导
y
Φ H out Hin
dy
Φ
x
y
y
x 2 y 2
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
能量方程的推导
y
在流场中取一个固定在空间 一定位置上的控制体，各个 界面上不断地有流体流进和 流出，因而是热力学中的一 个开口体系。
dy
dx (x,y)
Φ
dU d
mout h
1 2
v2
gz out
流体被加热
ut∞ ∞
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
流动因素 h
对流换热系数的大致量级
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
几何因素： 换热面的几何形状、几何位置
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
物性参数： 与导热有关的物性参数有—— 与流动有关的物性参数有——
第三节：边界层 一、速度边界层
y
u∞
u∞
u
速度边界层定义：壁面到99%U的区域
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第三节：边界层 1、速度边界层
影响边界层厚度的因素： 流体的种类 离开平板前沿的距离 流体流动速度
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第三节：边界层 速度边界层的发展
对于外掠平板当雷诺数 Re ux ux 5105 层流转变为紊流。
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第三节：边界层 速度边界层的发展
进口段
充分发展段
流动分为两个阶段
进口段——环状边界层未汇合之前的部分 充分发展段——环状边界层汇合之后的部分 对于管内流动当雷诺数 Re ud ud 2300 层流转变为紊流。
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第三节：边界层 2、温度边界层
流体被冷却
y
t∞
t∞
t∞
u∞Biblioteka ttw Φ tt
tw Φ
温度边界层δt定义：壁面到(t-tw)=99%( t∞-tw) 的区域
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)
第三节：边界层 2、温度边界层
2t x 2
2t y 2
dxdy
dx (x,y)
Hin,x udycpt cputdy
x
H out, x dx
Hx
H x x
dx
Hx
cp
ut dxdy
x
H out
H in
x
cp
ut
x
dxdy
H out
H in
y
cp
vt dxdy
y
第四章 对流换热(Convective Heat Transfer)