第十五章 对流换热原理共16页
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第十五章 对流换热原理
u xc Re c v
u
——流体速度 m/s ——流体运动粘度 m2/s
v
xc
——几何尺寸 m
紊流： Re > 3*106
层流：Re < 2*105 过渡流：2*105 < Re <3*106
引入边界层的原因：
对流换热系数的大小主要取决于靠近壁面附近流体的状况, 因为这里u、t变化最为剧烈。
wx
w y x
wy
w y y
3。基于能量守恒定律的能量微分方程
( wx p c
t t 2t 2t wy ) x 2 y 2 x y
4。对流换热微分方程组
{2[ ( wx ) 2 ( wy ) 2 ] x y wx wy 2 ( ) } y x
a.层流边界层：流体呈现成层的有秩序的滑动状流动，各层互不干扰，称为层 流边界层。 b.紊流边界层：流体质点在以平均主流流速沿方向流动的前提下，又附加着紊 乱的不规则脉动称为紊流边界层。 c.层流底层：在紊流区内，贴附于壁面的一极薄层内仍保持层流性质，这个极 薄层称为层流底层。
d.雷诺数Re：确定流体流态的一个无量纲参数。
对流换热系数,简称换热系数,单位为Ｗ／（ｍ２· Ｋ）。
二、局部换热系数和平均换热系数
1.局部换热系数
qx x Dt x
换热壁面上x处的局部热流密度； x处的局部温差
该处的局部对流换热系数
2.平均换热系数
q Dt
q Dt
三、换热微分方程 y
导热微分方程：
t q x y x , y0
热量传递和动量传递的类比规律 对流换热规律
= 流体流动的阻力规律
对流换热1幻灯片课件
运动粘度，ν= μ/ρ
体积膨胀系数，α
h 流体内部和流体与壁面间导热热阻小
,ch单位体积的流体能够携带更多的能量
h 有碍流体流动、不利于热对流
h 自然对流换热增强
• 贴壁处热量传递机理
– 粘性流体亦即实际流体，其粘性用粘度或表观粘 度来表征。实际流体的这种粘性作用一般仅限于 壁面附近的流体层，称为边界层。边界层理论是 粘性流体流动的基本理论。
湍流（紊流），Turbulent Flow 流线呈杂乱的不规则运动
Turbulent Flow
层流，Laminar flow 整个流场呈一簇互相平行的流线
h湍流>h层流
• 流体的热物理性质：
导热系数，λ 密度，ρ 比热容，c
不同物性参数最终以准则这种无量纲综 合量的形式来影响对流换热系数h。
动力粘度， μ(η)
对流换热1
• 一般约定Φ, q总取正值，因此当tw>tf时，Δt= tw-tf，当tw<tf时，Δt=tf-tw。
• 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导 热，不是基本传热方式。
• 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。
– 如河流中间的水流速度大，而靠近河岸的水流速度 很慢。
量微分方程及连续性微分方程，共计六个
方程。 • 能量微分方程
t
h t y y0
– 其推导过程与导热微分方程类似
– 推导过程中假定流体是常物性
– 对于微元体的热平衡式是
由导热进入微元体的热量Q1+由对流进入微元体的热量Q2 =微元体中流体的焓增ΔH
• d时间内、沿x轴方向导 入与导出微元体净热量：
▪ν表示边界层内流体的速 度场，u∞（最好用uf，以 示统一）表示流体的主流 速度，通常规定达到主流 速度uf的99%处的距离为 边界层厚度δ。沿着流动方 向，边界层厚度在增大。
对流换热基本方程课件
相似理论与量纲分析
相似理论
相似理论是研究两个或多个物理现象之间相似性的理论。在对流换热问题中，如 果两个物理现象的相似准则数相等，则它们之间的对流换热过程具有相似性。
量纲分析
量纲分析是一种通过比较不同物理量之间的量纲关系来研究物理现象的方法。在 对流换热问题中，可以利用量纲分析来确定影响对流换热的无量纲参数，从而简 化对流换热问题的研究。
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对流换热基本方程课件
目 录
• 引言 • 对流换热基本概念 • 对流换热基本方程推导 • 对流换热基本方程求解方法 • 对流换热强化技术及应用案例 • 总结与展望
01 引言
对流换热现象
01
02
03
定义
对流换热是指流体与固体 壁面之间由于温度差异引 起的热量传递过程。
分类
对流换热可分为自然对流 和强制对流两种形式。
对流换热研究有助于降低设备能耗、 减少废热排放，对于环境保护和可持 续发展具有积极作用。
对流换热基本方程重要性
描述对流换热过程
对流换热基本方程是描述对流换 热过程中热量传递、流体流动及 物性参数变化等规律的基础工具
。
指导工程实践
掌握对流换热基本方程有助于工程 师在设计、优化和运行工程设备时 做出合理决策，提高设备性能和经 济性。
推动理论研究
对流换热基本方程是研究对流换热 机理、探索新现象和新规律的基础 ，对于推动传热学及相关领域理论 研究具有重要意义。
02 对流换热基本概念
对流换热定义及分类
对流换热定义
对流换热是指流体与固体表面之间的 热量传递过程，其中流体可以是气体 或液体，固体表面可以是各种形状和 材料的壁面。
工程热力学与传热学（第二十二讲）15-1、2
工程热力学与传热学（第二十二讲）15-1、2第十五章对流换热对流换热是热对流和热传导两种热传递基本方式同时起作用的一种复杂的热传递过程。
本章主要阐述对流换热的概念、公式以及影响对流换热的因素。
第一节对流换热概念及公式一、对流换热的基本概念对流换热：流动着的流体与固体壁面之间的热传递过程。
包括：① 壁面与流体直接接触的导热；② 不同部分的流体之间因密度差异而在流体内部引起的热对流。
如：海水制淡装置、锅炉、制冷、空调装置等都有流体与管壁间的对流换热。
对流换热的分两类：（按照引起流体流动的原因不同分）① 自然对流换热：由于流体冷热各部分的密度不同而引起的对流换热。
如：空气加热器（暖器）表面附近的空气受热向上流动。
② 强制对流换热：如果流体的运动在水泵、风机或其他外力的作用下而被迫产生的，这种对流换热称为强制对流换热。
如：制冷设备中管内冷却水的流动。
另外，工程上常常遇到液体在热表面的沸腾或蒸汽在冷表面的凝结等也属于对流换热。
分别称为沸腾换热和凝结换热。
二、对流换热公式对流换热热流量公式：式中，Q ——对流换热的热流量，W)A(Q f w t t -=αW ααR t t t t f w A f w --==1Q W 1)-(15A ——换热面积，m 2；t w ——固体壁面温度，0C ；t f ——冷却流体温度，0C ；α——流体和壁面之间的对流换热系数，w/( m 2?0C)；对流换热热阻，0C /w ；结论：对流换热的热流量Q 与温度差（t w -t f ）成正比。
α越大，热阻越小，对流换热越强烈；反之α越小，对流换热越弱。
单位面积上的热流量，即热流密度为式中，r α=1/α，单位面积对流换热热阻， ( m 2?0C) /w第二节影响对流换热的因素一、对流换热系数（α）由（15-2）可得对流换热系数的计算公式式中，Δt 为壁面与流体之间温度差的绝对值，q 约定恒取正值。
换热系数（α）的意义：壁面与流体之间温度差为10C 时，单位时间内每单位面积上的对流换热量。
《理学对流换热》PPT课件
d R
R——弯管的曲率半径
2.圆形直管过渡流时的对流传热系数
Re=2300-10000时为过渡流，用湍流公式算出α后，
再乘以校正系数 f。
f
1
6 105 Re1.8
3.圆形直管内强制层流时的对流传热系数
（1）只有在小管径、水平管、壁面与流体之间的温差比较小
时、流速比较低的情况下才有严格的层流传热。在其他情况 下往往伴有自然对流传热。当Gr < 2.5×104时，自然对流影
单相换热： （Single phase heat transfer）
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 （Phase change） （Condensation） （Boiling）
h相变 h单相
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W (m C)]
比热容
c [J (kg C)]
运动粘度 [m2 s] 密度
自然对流：流体内部冷（温度t1）、热(温度t2)各部分的密
度ρ不同所产生的浮升力作用而引起的流动。因t2>t1，所以 ρ2<ρ1。若流体的体积膨胀系数为β，则ρ1与ρ2的关系为 ρ1=ρ2（1+βΔt）,Δt=(t2-t1)。于是在重力场内，单位体积 流体由于密度不同所产生的浮升力为
1 2g 2gt
表明因受热引起的自然对流对传热的影响。
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 PrbGrc
应用特征数关联式必须注意：
适用范围：Re、Pr、Gr的范围
特征尺寸l：对流体流动和传热产生主要影响的尺寸，
圆管—管内径；非圆管—当量直径。每个关联式所 规定。
对流换热
Pr
1/ 3
( ) 1 .0 2 5 a
1
1/ 3
Pr
1/ 3
它反映了速度边界层与温度边界层的相对大小,反映了流体动量传 递能力和热量传递能力的相对大小。
（4）格拉晓夫准则： g tl Gr 2
3
格拉晓夫准则的 数值反映了浮升 力和粘性力的相 对大小。
式中： — 流体的容积膨胀系数 ,1/K. 理想气体时为1/T, 蒸气、液体时实验测出，查表格. L —壁面定型尺寸, Δt—Δt = tw-t f ν—运动粘度
v
u y
u
2
y
2
1 dp
dx
2 2
u
t x
v
t y
a
t y
伯努利方程：
dp dx
u
du
dx
u x
v y
0
u
u x
v
u y
1 dp
dx
a
2
u y
2
2
u
t x
v
t y
t y
2
层流边界层对流换 热微分方程组： 3个方程、3个未知 量：u、v、t，方程 封闭
牛顿型流体：服从
u y
定律的流体。
非牛顿型流体：血液、泥浆、油漆等。
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (u , t w , t f , , c p , , , , l )
5-1
Hale Waihona Puke 当粘性流体 在壁面上流动时， 由于粘性的作用， t qx 流体的流速在靠 y w,x 近壁面处随离壁 面的距离的缩短 牛顿冷却公式：q x h x t w t f x 而逐渐降低；在 贴壁处被滞止， 处于无滑移状态 t t hx （即：y=0, u=0） tw tf x y w ,x tx y w,x 形成速度变化很 大的贴壁流体薄 注意：与第三类边界条件的区别，一类，二类？ 层.
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 。
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
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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
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换热壁面上x处的局部热流密度； x处的局部温差
该处的局部对流换热系数
2.平均换热系数
q t
q
t
三、对流换热微分方程
y
x x
qx
t y
x,y0
qxxtwtf x
x
tw tf
yt x,y0
局部换热系数在整个换热面上的积分平均值为该换热面的平均 换热系数。
四、影响换热系数的因素
1.流体流动的动力因素
对流换热现象 = 流体流动的阻力规律
对流换热规律
第二节 对流换热过程的数学描述
以常物性、不可压缩流体的二维稳定流动为例的对流 换热微分方程组：
1）基于质量守恒定律的连续性微分方程
wx wy 0 x y
2）基于动量定律的动量微分方程
w x1 p
x
2xw2x
2yw2x
wx x x
wy
wx y
y1
v2
意义 壁面上流体的无量纲温度梯度 惯性力与粘性力之比 动量扩散率与热量扩散率之比 浮升力与粘性力之比
相似理论指导实验：
1.物理量的测量：流体温度、壁温及相关物性参数。 2.计算换热系数及有关准则数。
3.把实验结果整理成准则函数的形式。
Nfu(P Pw frr)0.25c(GfrPfr)n lgN [fu (P Pw frr)0.2]5lg cnlgG (fP rf)r
现象所服从的基本规律
某一具体的换热现象
对流换热现象 = 对流换热微分方程组 + 单值条件
相似理论 准则方程
3.类比法
将对流换热过程中的热量传递和动量传递相类比，用 数学关系式将两个传递现象联系起来，由流体流动的 阻力规律来求解对流换热规律。
基本规律和基本假设
理论分析或实验测试
热量传递和动量传递的类比规律
于非稳态过程；
第四节 对流换热过程的实验求解
当流速很小、Re数较低时，其准则方程
N ufRP eG r,,r
若只是受迫对流换热，则上式化简为
N ufRP e,r
若只是自然对流换热，则化简为
N ufG,Prr
常用相似准则
名称
符 定义 号
努塞尔数 Nu l
雷诺数
Re wl
普朗特数
v Pr v
a
格拉晓夫数 Gr gl 3 t
p y
2wy x2
2yw2y
wx
wy x
wy
wy y
3）基于能量守恒定律的能量微分方程
c p
(wx
t
t
2
2t y 2
{2[( w x
x
)2 (wy )2 ] y
(wx wy )2} y x
4）换热微分方程
x
twtf
x yt x,y0
对流换热过程的单值性条件： • 几何条件：换热物体的形状和尺寸； • 物性条件：流体的种类以及热物性参数； • 边界条件：流体边界面上的速度和温度； • 时间条件：初始时刻的速度和温度等；只适用
现象所服从的基本规律
某一具体的换热现象
数学分析
对流换热现象 = 对流换热微分方程组 + 单值条件
边界层方法的分析解 求近似解
离散化方法的数值解
2.实验法 经验法 利用实验测得的数据，计算出换热系数值，再利用在
该实验范围内获得的一系列值，整理成经验公式。
半经验法
根据换热现象的物理模型，用相似理论找到判别一 组相似的对流换热现象所具有的充要条件，应用大 量实验数据整理出适用于某一实验范围内的准则方 程。
第一节 对流换热系数
牛顿冷却公式： QAtwtf W
q
Q A
twtf
W/m2
一、对流换热系数
q
t
Wm2K
热流密度，约定恒取正值；
固体壁面温度ｔＷ与流体温度ｔｆ之间温差的绝对值； 对流换热系数,简称换热系数,单位为Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。
二、局部换热系数和平均换热系数
1.局部换热系数
x
qx tx
4.换热壁面的热状态（壁温的大小） 有相变 壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象
无相变 对流换热系数比有相变时小得多
5.换热壁面的几何因素 换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都 会引起换热系数的变化。
五、确定对流换热系数的方法
数学分析法、实验法和类比法
1.数学分析法 质量守恒、能量守恒和动量守恒描述一般的对流换热现象， 利用某一特定现象的单值条件，建立一个对流换热的物理 模型，进行数学分析，求得换热系数。
强迫对流
外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动， 流速是决定因素。
自然对流
流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起， 无整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。
2. 流体流动的状态
层流
无流体微团的横向脉动，法线方向为导热
过渡状态
紊流
有流体微团的横向脉动
3.流体的热物性 导热系数、比热容c、动力粘度、密度
ylgcnx