对流导论
热量的传导与对流知识点总结
热量的传导与对流知识点总结在我们的日常生活和自然界中，热量的传递是一个非常普遍且重要的现象。
无论是煮水时热量从锅底传递到水中，还是冬天室内外的温差导致热量交换，都涉及到热量的传导与对流。
理解热量的传导与对流对于我们解释许多物理现象、优化工程设计以及提高能源利用效率都具有重要意义。
一、热量传导热量传导，简单来说，就是由于物体内部存在温度差，使得热量从高温区域向低温区域传递的过程。
这种传递方式不需要物质的宏观移动，而是通过分子、原子等微观粒子的热运动来实现。
1、热传导的基本定律——傅里叶定律傅里叶定律指出，在均质的固体中，单位时间内通过垂直于热流方向的单位面积的热量，与温度梯度成正比，而与截面面积成正比。
数学表达式为：＄Q ＝ kA\frac{dT}｛dx}＄，其中$Q$表示热流量，＄k$为材料的热导率，＄A$是垂直于热流方向的截面积，＄＼frac{dT}｛dx}＄是温度梯度。
热导率是材料的一个重要热物性参数，它表示材料导热能力的大小。
不同的材料具有不同的热导率，例如金属通常具有较高的热导率，是良好的导热材料；而空气、塑料等的热导率较低，属于绝热材料。
2、常见的热传导现象（1）金属棒的传热拿一根金属棒，一端加热，另一端会逐渐变热。
这是因为金属内部的自由电子能够快速传递热量，使得热量能够沿着金属棒迅速传导。
（2）墙壁的传热在房屋中，墙壁内外存在温度差时，热量会通过墙壁从室内传递到室外或者从室外传递到室内。
墙壁的材料和厚度会影响传热的速率。
二、热量对流热量对流是指由于流体（液体或气体）的宏观运动而引起的热量传递过程。
它可以分为自然对流和强制对流两种类型。
1、自然对流自然对流是由于流体内部存在温度差，从而导致流体密度不均匀，引起流体的流动。
例如，在一个烧热的锅中，靠近锅底的水受热后温度升高，密度减小而上浮；而上方较冷的水密度较大而下沉，形成了自然对流。
2、强制对流强制对流则是通过外部力量（如风扇、泵等）迫使流体流动，从而实现热量传递。
高等天气学讲座 对流系统
单元四：对流和降水天气系统
第十讲 对流系统
对流系统的分类
一、对流单体
➢ 一般单体 ➢ 多单体 ➢ 超级单体
二、中尺度对流系统(MCS)
➢ 飑线 ➢ 中尺度对流复合体
三、地形引起的对流系统
1、一般单体对流（single-cell convection体的移动
北半球几乎所有的强超级单体风暴都具有右移（且反时针 旋转，即气旋性旋转）的上升气流。直到20世纪80年代人们 还普遍认为这是科里奥利力影响的结果。但是通过数值试验， 人们现在已明确行星涡度对超级单体风暴上升气流的旋转作 用很小。
右移的风暴盛行是由于在有利于超级单体风暴形成的大尺度 场中，顺时针方向转的速矢端迹盛行，顺转扰动了对流上升 气流内部及附近的气压场，加强了右移风暴，抑制了左移风 暴。
新生和发展阶段的单体有活跃的上升气 流，在衰减阶段以下沉运动为主。
风暴内的上升气流起源于风暴前边界层 中，以后斜升到中高层。
各个单体以平均风的速度移动，整个多 单体雷暴的移动是各个单体的移动和传 播相叠加的结果。
多单体对流演变模型
左图：1999年5月20日在德克萨斯观测到的多单体对流系统 右图：对流系统以东约100km处风廓线仪观测的速矢端迹图 0-6km速度差为16ms-1。单体移动、单体传播、整个系统运动分别用紫 色、黄色、绿色矢量标出。可见，单体朝着西南方向传播，与朝东的 低层切变不一致。观测到的对流单体的传播似乎是环境场不均匀性的 结果，比如，对流单体与干线的相互作用，或者CIN的变化。
（大气科学，2008）
超级单体的分裂
超级单体风暴分裂示意图（直 线型速矢端迹情况）
(a) 在涡旋对左右两侧产生向上的 垂直气压梯度力（蓝色实心箭头）， 使得在风暴形成的30-60分钟内上升 运动分裂成两部分； (b) 降水和下沉气流（涡线朝下倾 斜）加强上升运动分裂，原本以上 升气流为中心的正负涡度对变成了 两组气旋－反气旋涡旋对，形成右 移风暴和左移风暴。“右”和“左” 指的是相对于深层切变矢量。 透明的蓝色箭头表示相对风暴的轨 迹。（b）中虚线的透明蓝色箭头表 示风暴分裂以后的相对风暴轨迹。
《热对流导学案-2023-2024学年科学青岛版五四制》
《热对流》导学案第一课时导学目标：1. 了解热对流的定义和特点。
2. 精通热对流的成因和影响因素。
3. 理解热对流在自然界和人类生活中的重要性。
导学内容：一、热对流的定义和特点1. 热对流是指在液体或气体中，由于温度差别引起的流淌现象。
当一部分液体或气体受热升温，密度减小，造成上升，而另一部分受冷降温，密度增大，造成下沉，从而形成对流现象。
2. 热对流的特点包括上升气流的热量会在高空开释，使得高空温度下落；下沉气流的热量则随之升温，从而形成热对流的循环。
二、热对流的成因和影响因素1. 热对流的成因主要是由太阳辐射引起地面温度不匀称而产生的。
太阳辐射照耀到地面后，地面不同位置的温度不同，使得气流产生温差，从而形成对流。
2. 影响热对流的因素包括温度差别的大小、空气的湿度、地形的升沉等。
温度差别大、湿度小、地形复杂的地方热对流现象较为明显。
三、热对流在自然界和人类生活中的重要性1. 热对流在自然界中起着重要的作用，如形成风、云、降雨等气象现象，调整地球温度，维持地球生态平衡。
2. 在人类生活中，我们屡屡利用热对流现象进行生活和生产。
例如利用热对流进行空调和采暖、进行天气预报和农作物种植等。
导学练习：1. 什么是热对流？它的特点是什么？2. 热对流的成因是什么？影响热对流的因素有哪些？3. 热对流在自然界和人类生活中的重要性有哪些？拓展练习：1. 请结合热对流现象诠释为什么山地上气温较低、密云层比低地厚且常有云层？2. 有没有其他可以利用热对流现象的例子？请进行沉思和探讨。
沉思题：1. 热对流现象如何影响地球的气候变化？将来我们应该如何应对气候变化带来的影响？导学案设计者：XXX指导老师：XXX（依据知乎文章格式，参考导学案范文进行仿写）第二课时导学目标：1. 了解热对流的观点及特点；2. 精通热对流的影响因素和规律；3. 探讨热对流在自然界中的应用。
导学内容：一、热对流的观点及特点1. 热对流是指在液体或气体中，由于密度差别引起的热量传递现象。
《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。
4.33第四章第三节对流
0.54
d
(Gr
1
Pr )4
例：P115
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（2）流体有相变过程的传热膜系数
化工生产中常见的相变给热是液体受热沸腾和 饱和水蒸气的冷凝。如：蒸发、蒸馏和用水蒸汽加 热的操作中。 ①液体的沸腾
液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若 伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的 过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况 因传热面与流体之间的温差不同而变化，下图 为水的 沸腾曲线（参见P116页图4-7）
d
当流体被加热时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。
（1）应用范围：Re >104, Pr=0.7~160, L/d >60, 气体或低粘度的液体（<2 水）
（2）定性温度：流体进出口的算术平均 值 （3）特征尺寸：管内径
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公式修正：
（1）当L/d
<
60，乘校正系数
1
1
d l
影响α的因素很多，主要有以下几个方面：
①流体的种类和性质： 液体、气体、蒸气，其密 度、比热容、粘度等不同。 ②流体的流动形态： 滞流、过渡流或湍流时α各不 相同。 ③流体的对流状态： 强制对流较自然对流时α为大。 ④传热壁面的形状、排列方式和尺寸
影响α的主要因素可用下式表示：
f (, , , cp , , t, v, d, L,)
由于膜状冷凝时，热量要通过液膜才能进一步传热，增加 了传热的热阻，因此，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热 系数可高出数倍乃至数十倍。工业中遇到的大多是膜状冷凝。
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表4—2 常见流体的传热膜系数的大致范围
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传热学知识点
传热学主要知识点1. 热量传递的三种基本方式。
热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。
2．导热的特点。
a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热一般只发生在密实的固体中。
3.对流（热对流）(Convection)的概念。
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。
4对流换热的特点。
当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层5.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。
h 是对流换热系数单位 w/(m 2 k) q ''是热流密度（导热速率），单位(W/m 2) φ是导热量W6. 热辐射的特点。
a 任何物体，只要温度高于0 K ，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。
7.导热系数, 表面传热系数和传热系数之间的区别。
导热系数：表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。
表面传热系数：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。
影响h 因素：流速、流体物性、壁面形状大小等传热系数：是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。
(w))(∞-=''t t h q w 2/)(m w t t Ah A q w ∞-=''=φ第一章 导热理论基础1傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的意义。
傅立叶定律（导热基本定律）：dx dT k q x ∂∂-='' )(zT y T x T k T k q ∂∂+∂∂+∂∂-=∇-=''k j i T(x,y,z)为标量温度场nT k q n ∂∂-='' 圆筒壁表面的导热速率drdT rL k dr dT kA q r )2(π-=-= 垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反。
《热对流导学案-2023-2024学年科学青岛版五四制》
《热对流》导学案第一课时导学目标：通过本节课的学习，学生将能够理解热对流的概念、原理和应用，并能够运用所学知识解决相关问题。
一、导入1. 引入问题：你知道什么是热对流吗？热对流和自然对流有什么区别？热对流在生活中有哪些应用呢？2. 激发兴趣：运用一个生动的例子或实验，引起学生对热对流的兴趣。
二、概念解释1. 热对流的定义：指在液体或气体中，因为温度差异引起的流动现象。
2. 热对流和自然对流的区别：自然对流是由于密度差异引起的流动，而热对流是由于温度差异引起的。
三、原理分析1. 导热：热量是由高温处向低温处传递的，导致流体局部升温或降温，从而产生温度差，引起流动。
2. 密度变化：流体的密度随温度的变化而变化，密度较小的部分受热膨胀，密度较大的部分受冷收缩，形成密度梯度，引起流动。
3. 热对流的起伏：热对流的形成可以分为上升、下降和水平流动，具体形式取决于温度差异和流体性质。
四、应用实例1. 地球大气环流：地球上的大气环流是由于太阳照射不均引起的温度差异，形成热对流，驱动风的产生。
2. 锅炉循环：在锅炉中，冷水在加热后上升，热水下降，形成循环流动，实现热量传递。
3. 热显微镜：热对流的原理被应用于热显微镜中，通过控制温度差异观察透明样品的温度分布。
五、小结与练习1. 热对流是由于温度差异引起的流动现象，具有重要的应用价值。
2. 请设计一个实验，验证热对流的原理，并说明实验步骤和结论。
3. 请列举一个生活中的例子，说明热对流对我们生活的影响。
六、拓展延伸1. 请思考热对流对环境、工业和生物系统的影响，以及可能的解决方案。
2. 请研究一种新型材料或设备，利用热对流的原理实现热量传递或流动控制，并撰写一份研究报告。
通过本节课的学习，相信同学们对热对流有了更深入的理解，也能够运用所学知识解决相关问题。
希望同学们在课后能够进一步拓展研究，探索更多关于热对流的知识和应用。
衷心祝愿同学们在科学探索的道路上取得更大的成就！第二课时导学目标：通过学习本节课的内容，学生将能够掌握热对流的概念、特点和影响因素，了解热对流在自然界中的重要作用。
V4-第五章-对流传热的理论基础-2014概论
Q导热 + Q对流 = U热力学能
Q导热 + Q对流 = U热力学能
单位时间导入导出的净热量： 单位时间热力学能的增量：
Q导热
2t x2
dxdy＋
2t y2
dxdy
U 热力学能
c
p
dxdy
t
单位时间沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量：
Qx"
Qx"dx
Qx"
Qx"
Qx" x
dx
Qx" x
dx
）；
✓ 常物性、无内热源；
✓ 忽略粘性耗散热；
✓ 忽略辐射换热。
四个未知量：u, v, p, t 需要四个方程：基于质量守恒的连续方程
基于动量守恒的动量方程（x, y方向） 基于能量守恒的能量方程
基于质量守恒的连续方程：
单位时间流入流出微元体的净质量 = 微元体内流体质量的变化
u v w 0
5.1.2 对流传热现象的分类
5.1.3 对流传热的研究方法
分析法：对某一类对流传热问题列出偏微分方程及定解条件，然后进 行数学求解，获得速度场和温度场。
比拟法：通过研究动量传递和热量传递的类似特性，建立起表面传热 系数与阻力系数之间的相互关系，通过比较容易测定的的阻力系数来获 得相应表面传热系数的计算公式。
边界层总结：
边界层的特点：
✓ 边界层厚度δt，δ 与壁面尺寸相比是小量，而δt与δ 量级一致； ✓ 边界层内速度梯度和温度梯度很大； ✓ 流动区域分为边界层区和主流区，主流区的速度梯度和温度梯度可忽略； ✓ 边界层内存在层流和湍流形态。
引入边界层概念的意义：
✓ 可以有效减小计算区域。对流换热问题主要集中于边界层内，主流视为理想流体； ✓ 应用边界层概念可以有效简化微分方程组。
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2.热边界层及其厚度 t x
存在温度梯度的流体区域即为热边界层。 热边界层的厚度：
对应温度比 Ts T 0.99 的y值。
Ts T
3.热边界层是发展的
随着离前缘距离的增加，传热的影响进一步渗透进自由流，热边1 传热
局部热流密度和系数
qs hTs T
均温表面的平均热流密度和系数
q hAs Ts T
q As qdAs Ts T As hdAs
h
1 As
As
hdAs
对于平行流中的平板：
h
1 L
oL
hdx
6.2.2 传质
局部组分流密度和系数
N
'' A
hm (CA,s CA, )
平板上组分浓度边界层的发展
在这种情况下，与速度和热边界层类似，
将会形成浓度边界层。
2.浓度边界层及其厚度 c x
存在浓度梯度的流体区域即为浓度边界层。 浓度边界层的厚度：
对应浓度比 CA,s CA 0.99 的y值。
CA,s CA,
3.对流组分传递与浓度边界层之间的关系
表面与自由流流体之间对流组分传递是由边界层中的状态决定的，我们感 兴趣的是如何确定该传递的速率。
x
t x
T
h
y y0
2.隐含的假定：x方向上的传热可忽略。
qs
6.1.3 浓度边界层（Concentration Boundary Layer）
1.CBL的形成
假定组分A在表面处具有均匀的摩尔 浓度 CA,s ，在自由流中的摩尔浓度为 CA, 。 如果 CA,s CA, ，将会发生组分A的对流传递。
速度迅速降为零。 因切应力，这些质点会阻碍邻近流体
层中质点的运动，而后者会阻碍上一层质 点的运动。
随离开表面距离的增加，流体的x速度 分量也必定会增加，直到达到自由流的值。
平板上速度边界层的发展
对于粘性流体，只要有速度梯度，就会产生切应力， 故只要有流体流过表面，就必定产生速度边界层。
2.边界层厚度 x u y 0.99u 所对应的y值。
有可能发生三种边界层 共存的情况，此时边界层很 少以相同速率发展，因而在 给定位置上，三种边界层的 厚度值也不一样。
关键参数
速度边界层 热边界层 浓度边界层
表达形式 表面摩擦 对流传热 对流传质
关键边界层参数
摩擦系数C f 对流传热系数h 对流传质系数 hm
后面重点讨论的内容！
6.2 局部和平均对流系数
1.T.B.L.的形成
如果流体自由流温度与表面温度不同，就必定会形成热边界层。
在前缘处流体温度分布是均匀的。 接触平板的流体质点与表面迅速达到热平衡状态。 依次的，这些质点和与之邻近的流体层中的质点 通过扩散和平流进行能量交换，并在流体中形成 温度分布（梯度）。
受V.B.L.发展的影响，存在v，造成y向
第六章 对流导论
理解对流的物理机理并建立对流研究的方法
经典流体力学 水力学
Ludwig Prandtl GERMAN PHYSICIST BOUNDARY LAYER @1904
对流 表面与流过表面的流体之间的能量（质量）传递。
机理
扩散
平流
主要目标 认识对流的物理机理，构建对流计算的手段。
关键问题 流动、热和浓度边界层。
对流问题分类
外流（7） 内流（8）
受迫对流 自然对流（9）
核心应用：换热器（11）
沸腾 （10）
凝结
6.1 对流边界层
边界层的概念对于理解表面与流过表面的流体 之间的对流传热与传质有重要意义!
6.1.1 速度边界层（Velocity Boundary Layer）
1.V.B.L.产生的原因
因表面摩擦，流体质点与表面接触时
组分A的摩尔流密度： NA'' kmol (s m2 )
与组分扩散传递有关的摩尔流密度是由斐克（Fick）定律决定:
NA''
DAB
CA y
6.6
1.DAB m2 s 为二元混合物的物性，称为
二元扩散系数。
2. 该式为斐克定律通用形式的一个近似，其使用条件是混合物的总摩尔浓度
C CA CB 为常数。我们讨论的情况：CA CB ，故 C const 。
自由流：边界层以外区域， 可忽略速度梯度和切应力。
边界层厚度曲线将流体的流动分成两个截然不同的区域：
速度边界层：很薄的流体层，存在速度梯度和切应力。
3.边界层是发展的
随着离前缘距离的增加，粘性的影响进一步渗透进自由流，边界层增厚。
x
x
4.速度边界层的重要性
1.求解热和浓度边界层的基础，提供平流输运速度u和v。
2.该边界层与表面切应力，因而与表面摩擦有关。
对外部流动，摩擦系数：
壁面切应力 牛顿流体：
Cf
s u2
2
s
u
y
y0
6.1
6.2
关键问题是边界层内速度场的求解。 在速度边界层中，表面处速度梯度 与离开表面平板前缘的距离有关。
s (x) Cf (x)
6.1.2 热边界层（Thermal Boundary Layer）
6.1.4 边界层的重要意义
缘起
对于流过任意表面的流动，速度边界层总是存在的，因而必 然存在表面摩擦。
如果表面和自由流的温度不同，就会存在热边界层，从而存 在对流传热。
如果一种组分的表面浓度与它的自由流浓度不同，就会存在 浓度边界层，从而存在对流传质。
特征
V.B.L.：存在速度梯度和切应力。 T.B.L.：存在温度梯度和传热。 C.B.L.：存在浓度梯度和传质。
4.热边界层中的状态与对流换热系数之间的关系
由无滑移条件，表面处不存在流体的运动，能量的传递 只能通过扩散（传导）进行。
由傅里叶定律：
qs
k f
T y
y0
由牛顿冷却定律： qs hTs T
h
k f
T y
y0
Ts T
关键问题！
6.5
h
k f T y y0
Ts T
6.5
1.热边界层中的状态强烈地影响着壁面（表面）处的温度梯度，而该温度梯度 则决定穿过边界层的传热速率。
在y=0处，不存在流体运动，组分传递 仅由扩散控制：
NA''
DAB
CA y
y0
6.7
穿过边界层的组分密度不发生变化，故在离开前缘任意距离处的组分密度可写成
NA'' hm CA,s CA,
6.8
hm
DAB CA y CA,s CA,
y0
6.9
浓度边界层中的状态对 表面处的浓度梯度以及对流 传质系数有很强的影响，从 而影响穿过边界层的组分传 递速率。