(精品)传热学课件：对流传热
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高等传热学课件对流换热-第2章-3
2-3 管槽内层流对流换热特征工程上存在大量的管槽内对流换热问题。
本节对管槽内层流强制对流换热的流动与换热特征进行分析。
一、流动特征当流体以截面均匀的流速0u 进入管道后，由于粘性，会在管壁上形成边界层。
边界层内相同r 处的轴向流速随δ的增加而降低，导致对管中心势流区的排挤作用，使势流区流速增加。
当边界层厚度δ达到管内半径时，势流区消失，边界层汇合于管轴线处，同时截面内速度分布不再变化。
u o将管入口截面至边界层汇合截面间的流动区域称为入口段，或称为未充分发展流、正在发展流。
该区域内，速度分布不断变化，(,)u u x r =，同时存在径向速度(,)v x r 。
边界层汇合截面以后的流动速度不再变化，()u u r =，而径向速度0v =，这段流动区域称为充发展段或充分发展流。
所以，管内流动存在特征不同的两个区域：入口段，充分发展段。
充分发展流动又分为：简单充分发展流、复杂充分发展流两种。
1). 简单充分发展流是指只存在轴向速度分量，而其它方向速度分量为零的充分发展流动。
对圆管： ()u u r =，0v w ==； 对矩形管道：(,)u u x y =，0v w ==。
简单充分发展流任意横截面上压力均匀，沿轴向线性变化，即dpconst dx=证明：对简单充分发展流，径向速度0v =，根据径向动量方程：222211()v v p v v v u v x r r r r x rνρ∂∂∂∂∂∂+=−+++∂∂∂∂∂∂ ⇒ 0p r ∂=∂，即任意横截面上压力均匀，压力仅沿轴向变化。
于是，轴向动量方程为：222211(u u dp u u uu v x r dx r r x rνρ∂∂∂∂∂+=−+++∂∂∂∂∂又发展流0ux∂=∂（速度分布不变，或由连续方程得出）⇒220ux∂=∂、()u u r =。
动量方程变为：221()dp u u dx r r rρν∂∂=+∂∂ 由于上式右端与与x 无关，所以必然有：dpdx=常数，而与x 无关，或说压力沿轴向线性分布。
热传导热辐射热对流.课件
平墙
λ1 λ2
T,1 h1
T1
T2 T3 T,2
L1 L2
h2
h1AT ,1T1 L 11 AT1T2 L 22 AT2T3h2AT3T ,2
T,1 T,2
1 L1 L2 1
h1A 1A 2A h2A
记住热阻串联性质
讨论 2 很小时的传热情况
圆筒墙 L
r2 r3 r1
2r1 1Lh1ln2r2L /T r1 1 ),1 T l n2,2 r3 L/r2 22r1 3Lh2
其中
Af PL 最大传热速率
1
hP
翅片的增传热效果
m
0.8
Ac
未设翅片情况
0.6
效率因子
0.4
0hAc(T0T)
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
mL
设翅片后
f fhAf(T0T)
z δ, thickness
L
Ac =z δ; Af=2L (δ+z)
z
m 2h(z) 2h
z
mL
2 L2h
eo(1 C /(P *d/T ))
dN 2 65nm d Ar 300nm
常压下导热系数，常数，压力，气体自由运动距离，绝对温度
1.4.2 对流传热 u T
Ts
当Ts>T时，由固体表面向流体传热 Ф = hA (Ts – T)
式中 h 对流传热系数(W.m-2.K-1) A 传热面积(m2) T 流体主体温度(K) Ts 固体表面温度(K)
dx2
hP
Ac
0
m 2 hP Ac
C 1e mx C 2e mx
相变对流传热资料课件
流动强化技术的概述
01
流动强化技术是通过改变流体的流动状态，提高传热效率的一
种技术。
流动强化技术的原理
02
通过增加流体的湍流度，打破流动的层流状态，增加流体与换
热表面的接触面积，从而提高传热效率。
流动强化技术的实现方法
03
采用各种扰流元件，如折流板、螺旋桨、扰流片等，以增加流
体的湍流度。
热传导强化技术
相变对流
在相变过程中伴随的对流 现象，如沸腾、凝结等。
相变对流传热机制
热量通过液-汽或汽-液界 面传递，与相变过程密切 相关。
相变对流传热模型
相变对流传热模型分类
基于不同的假设和简化条件，如均相流模型、分相流模型等。
模型建立方法
基于实验数据和理论分析，建立数学模型，用于描述相变对流传热 过程。
模型参数确定
层流和湍流对传热速率有不同的 影响，湍流更有利于热量传递。
流速
流速越大，对流传热效率越高。
流动稳定性
流动不稳定时，传热效率降低。
热边界条件影响
温度边界条件
边界温度的高低直接影响传热速率。
热流密度
热流密度越大，传热速率越高。
换热器结构
换热器的结构、材料等都会影响传热效率。
04
相变对流传热强化技术
流动强化技术
详细描述
随着全球能源危机和环境问题的日益严重，节能减排已成为社会发展的重要趋势。相变 对流传热技术作为一种高效的传热方式，在节能减排方面具有广阔的应用前景。例如， 在建筑节能、电子设备散热、新能源利用等领域，相变对流传热技术能够有效地提高能
源利用效率，减少能源浪费和环境污染，为实现可持续发展提供有力支持。
详细描述
流体力学与传热学ppt课件
2) 物理条件 物性参数λ、ρ 、c 和η 的数值，是否随温度和压力变化；有无 内热源、大小和分布
3) 时间条件 稳态对流换热过程不需要时间条件—与时间无关
4) 边界条件 第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值 第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值
§8.3 边界层概念及边界层换热微分方程组
计算出在参考温差下的对流传热系数
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（层流或湍流）、流速的大 小及其分布、表面粗糙度等。
温度场取决于流场
§8.2 对流传热问题的数学描写
1、假设条件
为简化分析,对于影响常见对流换热问题的主要因素,做如下假设:
1) 流动是二维的; 2) 流体为不可压缩的牛顿型流体; 3) 流体物性为常数,无内热源;
比拟法 数值法
通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表 面传热系数见的相互关系的方法。
近20年内得到迅速发展，并将会日益显示出其重要的作用。
7、如何从解得的温度场来计算对流传热系数
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作 用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距 离的缩短而逐渐降低；
在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0, u=0） 在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递
c 数值解法：近年来发展迅速 可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速
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
4、对流传热过程的单值性条件
完整数学描述：对流传热微分方程组+ 单值性条件
1) 几何条件 平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等
3) 时间条件 稳态对流换热过程不需要时间条件—与时间无关
4) 边界条件 第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的温度值 第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过程边界上的热流密度值
§8.3 边界层概念及边界层换热微分方程组
计算出在参考温差下的对流传热系数
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状态（层流或湍流）、流速的大 小及其分布、表面粗糙度等。
温度场取决于流场
§8.2 对流传热问题的数学描写
1、假设条件
为简化分析,对于影响常见对流换热问题的主要因素,做如下假设:
1) 流动是二维的; 2) 流体为不可压缩的牛顿型流体; 3) 流体物性为常数,无内热源;
比拟法 数值法
通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表 面传热系数见的相互关系的方法。
近20年内得到迅速发展，并将会日益显示出其重要的作用。
7、如何从解得的温度场来计算对流传热系数
当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作 用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距 离的缩短而逐渐降低；
在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0, u=0） 在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递
c 数值解法：近年来发展迅速 可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速
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
4、对流传热过程的单值性条件
完整数学描述：对流传热微分方程组+ 单值性条件
1) 几何条件 平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等
(完整PPT)传热学
温度
温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高 ，导热系数会增加。
压力
对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程
稳态导热
物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。在稳态导热过程中，热流 密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热
物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。在非稳态导热过程中，热流 密度和温度分布会发生变化，通常需要考虑时间因素对导热过程的影响。
辐射换热计算方法
辐射换热量计算
通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算两 个物体之间的辐射换热量，需要 考虑物体的发射率、温度以及物 体间的角系数等因素。
角系数计算
角系数表示一个表面对另一个表 面辐射能量的相对大小，可以通 过几何方法或数值方法计算得到 。
辐射换热网络模型
对于多个物体之间的复杂辐射换 热问题，可以建立辐射换热网络 模型，通过求解线性方程组得到 各个物体之间的辐射换热量。
06 传热学实验技术 与设备
实验测量技术与方法
温度测量
使用热电偶、热电阻等 温度传感器，配合数据 采集系统，实现温度的
精确测量。
热量测量
采用量热计、热流计等 设备，测量传热过程中
的热量变化。
热阻测量
通过测量传热设备两侧 温差和传热量，计算得
到热阻。
热流密度测量
利用热流计等设备，测 量单位面积上的热量传
(完整PPT)传热学
contents
目录
• 传热学基本概念与原理 • 导热现象与规律 • 对流换热原理及应用 • 辐射换热基础与特性 • 传热过程数值计算方法 • 传热学实验技术与设备 • 传热学在工程领域应用案例
01 传热学基本概念 与原理
温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高 ，导热系数会增加。
压力
对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程
稳态导热
物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。在稳态导热过程中，热流 密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热
物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。在非稳态导热过程中，热流 密度和温度分布会发生变化，通常需要考虑时间因素对导热过程的影响。
辐射换热计算方法
辐射换热量计算
通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算两 个物体之间的辐射换热量，需要 考虑物体的发射率、温度以及物 体间的角系数等因素。
角系数计算
角系数表示一个表面对另一个表 面辐射能量的相对大小，可以通 过几何方法或数值方法计算得到 。
辐射换热网络模型
对于多个物体之间的复杂辐射换 热问题，可以建立辐射换热网络 模型，通过求解线性方程组得到 各个物体之间的辐射换热量。
06 传热学实验技术 与设备
实验测量技术与方法
温度测量
使用热电偶、热电阻等 温度传感器，配合数据 采集系统，实现温度的
精确测量。
热量测量
采用量热计、热流计等 设备，测量传热过程中
的热量变化。
热阻测量
通过测量传热设备两侧 温差和传热量，计算得
到热阻。
热流密度测量
利用热流计等设备，测 量单位面积上的热量传
(完整PPT)传热学
contents
目录
• 传热学基本概念与原理 • 导热现象与规律 • 对流换热原理及应用 • 辐射换热基础与特性 • 传热过程数值计算方法 • 传热学实验技术与设备 • 传热学在工程领域应用案例
01 传热学基本概念 与原理
高等传热学课件对流换热-第6章-1
第六章高速流动对流换热在前面几章介绍的强制对流换热中，我们假设速度和速度梯度充分小，以致动能和粘性耗散的影响可以忽略不计。
现在考虑高速和粘性耗散的影响。
我们主要介绍有更多重要应用的外部边界层。
6.1 高速流对流换热基本概念高速对流主要涉及以下两类现象：z从机械能向热能的转换，导致流体中的温度发生变化；z由于温度变化使流体的物性发生变化。
空气一类气体若具有极高的速度，将会导致超高温离解、质量浓度梯度，并因此发生质量扩散，使问题变得更加复杂。
这里仅限于关注未发生化学反应的边界层；对空气来说，这意味着我们将不考虑温度超过2000K或者马赫数高于5的情况。
对液体，如果普朗特数足够高的话，粘性耗散实际上在中等速度时就具有很可观的作用。
我们的讨论仅限于普朗特数接近于1的气体。
有关高速对流的研究大都涉及对机械能转换和流体物性随温度变化两个因素的总体考虑，很难看到它们单独的影响。
这里，我们暂不考虑变物性的影响，首先讨论能量转换问题。
能量转换过程能可逆地发生，也能不可逆地发生。
比如，在边界层内，激波与粘性的相互作用使得机械能与热能间的不可逆转换增大，无粘性的速度变化（比如在接近亚音速滞止点附近流体的减速）则产生可逆的，或者非常接近可逆的能量转换。
高速边界层滞止点的比较能很好地说明这两种情况的明显区别。
z在滞止点（图6-1）处速度降低，边界层以外的压力和温度提高。
对于亚音速流动，该过程几乎是等熵的，流体粘度不起什么作用。
无论减速可逆还是不可逆，滞止区边界层以外的流体温度等于滞止温度，也就是说，流体温升来自于绝热减速：（6.1.1） 若不考虑变物性影响，并用*T ∞代替T ∞，低速滞止点的解也能适用于高速滞止点问题： w w ()q h T T ∗∞=− （6.1.2）z 但高速边界层问题有所不同。
如果自由速度很高，边界层以内速度梯度很大，边界层内因粘性切应力产生粘性耗散。
如果物体是绝热的，那么耗散产生的热量可以靠分子或者涡漩传导的机理，从靠近表面的向边界层外传递出去，如图6-2所示。
西安交通大学传热学课件
2.流体流动状态（The flow regimes） 层流（Laminar flow） 湍流（Turbulent flow）
Re ud
12/73
传热学 Heat Transfer
粘性流体的流动存在着两 种不同的流型，即层流和 湍流。
雷诺实验：1883年由英国 物理学家Reynolds实验总 结发现。
传热学 Heat Transfer
对流传热
Convective Heat Transfer
1/73
主要内容
传热学 Heat Tra因素及分类
数学描写
边界层 相似原理
无量纲准则数
对流传热 实验关联式
实验关联式 2/73
传热学 Heat Transfer
第五章 对流传热的理论基础
2. 定解条件 ① 初始条件 给出=0时刻速度、压力、温度的分布 ② 边界条件 速度无滑移、温度一二类
34/73
传热学 Heat Transfer
三、求解的困难
1. 问题的非线性 2. 动量及能量方程耦合
u v 0 x y
u x
v 0 y
（ u
u
u x
14/73
传热学 Heat Transfer
4. 换热过程有无相变（phase change） Boiling, condensation
15/73
传热学 Heat Transfer
5.流体的热物性（thermophysical properties）
在电影泰坦尼 克号中Jack冻 死了，但Rose 没有，为什么？
cp
v
t y
t
v y
dxdy
U
Re ud
12/73
传热学 Heat Transfer
粘性流体的流动存在着两 种不同的流型，即层流和 湍流。
雷诺实验：1883年由英国 物理学家Reynolds实验总 结发现。
传热学 Heat Transfer
对流传热
Convective Heat Transfer
1/73
主要内容
传热学 Heat Tra因素及分类
数学描写
边界层 相似原理
无量纲准则数
对流传热 实验关联式
实验关联式 2/73
传热学 Heat Transfer
第五章 对流传热的理论基础
2. 定解条件 ① 初始条件 给出=0时刻速度、压力、温度的分布 ② 边界条件 速度无滑移、温度一二类
34/73
传热学 Heat Transfer
三、求解的困难
1. 问题的非线性 2. 动量及能量方程耦合
u v 0 x y
u x
v 0 y
（ u
u
u x
14/73
传热学 Heat Transfer
4. 换热过程有无相变（phase change） Boiling, condensation
15/73
传热学 Heat Transfer
5.流体的热物性（thermophysical properties）
在电影泰坦尼 克号中Jack冻 死了，但Rose 没有，为什么？
cp
v
t y
t
v y
dxdy
U
(完整PPT)传热学
因此，温度场内任一点的温度为该点位置和时 间的函数，即：
t f ( x, y, z, )
考虑时 间因素
考虑空 间因素
不稳定温度场
t 0 加热
t 0 冷却
稳定温度场 t 0
一维温度场 二维温度场 三维温度场
t f (x, ) t f (x, y, ) t f (x, y, z, )
– 另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体， 即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振 动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。
• 总的来说，关于导热过程的微观机理，目前 仍不很清楚。
• 本章只讨论导热现象的宏观规律。
【热对流(对流)】
（1）定义：由于流体质点发生相对位移而引起的
热量传递过程。 如炉墙外表面向大气散热；
背景问题:
（1）冬天，木凳与铁凳温度一样，但人们坐在铁凳 上比作在木凳上感到冷得多，这是问什么？
（2）一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上冷得快， 这又是为什么？
人体热量向凳子传递，由于铁比木头传热速 率快得多，使人体表面散热快，而体内向体
表补充热量又跟不上，所以感觉凉。 同是固体，材质不同则传热快慢不同。
（2）特点：
炉内高温气体与被加热物 料或炉墙内衬间的换热
✓热对流只发生在流体中。
✓流体各部分间产生相对位移
【热对流(对流)】
（3）产生对流的原因 ➢ 由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的
作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重 者下沉，称为自然对流； ➢ 由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制 运动，称为强制对流。
• 传热的特点：传热发生在有温度差的地方，并 且总是自发地由高温处向低温处传递。
t f ( x, y, z, )
考虑时 间因素
考虑空 间因素
不稳定温度场
t 0 加热
t 0 冷却
稳定温度场 t 0
一维温度场 二维温度场 三维温度场
t f (x, ) t f (x, y, ) t f (x, y, z, )
– 另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体， 即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振 动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。
• 总的来说，关于导热过程的微观机理，目前 仍不很清楚。
• 本章只讨论导热现象的宏观规律。
【热对流(对流)】
（1）定义：由于流体质点发生相对位移而引起的
热量传递过程。 如炉墙外表面向大气散热；
背景问题:
（1）冬天，木凳与铁凳温度一样，但人们坐在铁凳 上比作在木凳上感到冷得多，这是问什么？
（2）一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上冷得快， 这又是为什么？
人体热量向凳子传递，由于铁比木头传热速 率快得多，使人体表面散热快，而体内向体
表补充热量又跟不上，所以感觉凉。 同是固体，材质不同则传热快慢不同。
（2）特点：
炉内高温气体与被加热物 料或炉墙内衬间的换热
✓热对流只发生在流体中。
✓流体各部分间产生相对位移
【热对流(对流)】
（3）产生对流的原因 ➢ 由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的
作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重 者下沉，称为自然对流； ➢ 由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制 运动，称为强制对流。
• 传热的特点：传热发生在有温度差的地方，并 且总是自发地由高温处向低温处传递。
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hx
t
t y
w,x
计算当地对流传热系数 hx
§5-2 对流传热问题的数学描写
对流传热系数的确定方法
1 微分方程式的数学解法
a. 精确解法（分析解）：根据边界层理论，得到
边界层微分方程组 常微分方程
求解
b. 近似积分法： （本课程不介绍） 假设边界层内的速度分布和温度分布，解积分方程
c. 数值解法：近年来发展迅速（本课程不介绍） 可求解很复杂问题：三维、紊流、变物性、超音速
2v y2 )
c
p
t
u
t x
v
t y
2 t x 2
2t y 2
h x
tw
t
t
y
y 0, x
§5-2 对流传热问题的数学描写
前4个方程，4个未知量 —— 可求得速度场(u,v)和温度场(t) 以及压力场(p), 既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）
前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：
§5-1 对流传热基本概念
对流传热过程微分方程式
hx
tw
t
t y
w,x
hx 取决于流体导热系数、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。
速度场和温度场由对流传热微分方程组确定：
质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
cp
2t x2
＋
2yt2
u
t x
v
t y
t
§5.2 对流传热问题的数学描写
二、对流传热微分方程组: 4个未知量： u、v； t； p (常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)
u v 0
x y
（u
u
u x
v
u y
)
Fx
p x
( 2xu2
2u y2
)
（v
u
v x
v vy
)
Fy
p y
(2xv2
单位时间内、沿x轴方向、经 x+dx表面流出微元体的质量
M xdx
Mx
M x x
dx
M x udy My vdx
单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：
M x M xdx
M x dx x
(u) dxdy
x
单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量：
My
M ydy
M y y
dy
1)几何条件 对流传热过程中的几何形状和大小 平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等
2)物理条件 对流传热过程的物理特征
如：物性参数 、 、c 和 的数值，是否随温
度和压力变化；有无内热源、大小和分布 3)时间条件 在时间上对流传热过程的特点
稳态对流传热过程不需要时间条件 — 与时间无关
§5-2 对流传热问题的数学描写
第五章 对流传热
§5-1 对流传热基本概念
§5-1 对流传热基本概念
§5-1 对流传热基本概念
§5-1 对流传热基本概念
对流传热系数(表面传热系数)（回顾）
W (m2 C)
流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面积上、单位时间传递的热量。
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等。 如何确定h及增强传热的措施是对流传热的核心问题。
Convection heat
transfer coefficient
q — 热流密度 W m2 h — 表面传热系数 W(m2 K)
A — 与流体接触的壁面面积 m2
tw — 固体壁表面温度 C t — 流体温度 C
复习
(4)对流传热系数(表面传热系数)
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
流体的连续流动遵循质量守恒规律 从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体
1)质量守恒方程(连续性方程)
泰勒展开
流体的连续流动遵循质量守恒规律
从流场中 (x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体 M 为质量流量 [kg/s]
单位时间内、沿x轴方向、 经x表面流入微元体的质量
M x udy
假设： a) 流体为连续性介质
b) 流体为不可压缩的牛顿型流体
即：服从牛顿粘性定律的流体； 而油漆、泥浆等不遵守该定 律，称非牛顿型流体
切应力
u
y
c) 所有物性参数（、cp、、）为常量
4个未知量：速度 u、v；温度 t；压力 p 需要4个方程：连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(1)
§5-2 对流传热问题的数学描写
传热学
（Heat Transfer）
复习
2.热对流(Heat Convection)
(1)定义：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。
★ 热对流实 例：
火焰从下加热汤锅
对流层冷暖气流的运动
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(2)对流传热：流体流过一个物体表面时的热量传递过程。
状态（即：y=0, u=0）
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：
qw,x
t y w,x
流体的热导率
W m2
W(m C)
t y —在坐标(x,0)处流体的温度梯度 w,x
§5-1 对流传热基本概念 五.如何从解得的温度场来计算对流传热系数
hx — 壁 面 x处局部表面 传热 系 数 W（m 2 C)
§5-1 对流传热基本概念
第五章对流传热的理论基础
❖5.1 对流传热基本概念 ❖5.2 对流传热问题的数学描写 ❖5.3 边界层型对流传热问题的数学描写 ❖5.4 流体外掠平板传热的层流分析解
第五章 对流传热
§5-2 对流传热问题的数学描写
一、运动流体守恒方程的推导
为便于分析，只限于分析二维对流传热
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等
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(5)对流传热的分类 ★ 按流体运动的起因分为：强迫对流和自然对流。
干燥箱中的强迫对流
暖气片中的自然对流
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对流传热系数 W (m2 K)
对流传热过程
空气 液体
空气 液体 沸腾或凝结传热
自然对流 强制对流
对流传热系数
2-25 50-100
25-250 50-20000 2500-100000
y
Q"y dy c
y
p
(vt) dydx y
§5-2 对流传热问题的数学描写
Q导热
2t x2
dxdy＋
2t y2
dxdy
Q对流
c p
(ut) x
dxdy
c p
(vt) y
dxdy
c p
u
t x
v
t y
t
u x
t
v y
dxdy
c p utx v tydxdy
U
cp dxdy
t
d
能量守恒方程
与单纯的热对流不同，对流传热具有如下特点：
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
★ 对流传热实 例：
管内流动传热
管外流动传热
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(3)对流传热的基本计算公式：牛顿冷却定律
— 热流量[W]，单位时间传递的热量
能量微分方程推导中的微元体
W＝0
2 流体不可压缩
3 粘性耗散产生的耗散热可以忽略不计
（4）无化学反应等内热源
Q内热源=0
§5-2 对流传热问题的数学描写
Q导热 + Q对流 = U热力学能
由导热微分方程可得：
能量微分方程推导中的微元体
2t
2t
Q导热 x2 dxdy＋ y2 dxdy ,W
§5-2 对流传热问题的数学描写
（ u
u u v u
)F
p
(
2 u
2u)
x y x x x2 y2
（ v
u
v x
v
v ) y
Fy
p y
( 2v
x2
2v ) y2
惯性(1)项 （ma）
体积(力2)
(3 )压梯强 度
粘(滞4) 力
η是动力粘度 =ρ×ν ν是运动粘度
§5-2 对流传热问题的数学描写
动量微分方程 — Navier-Stokes方程（N-S方程）
§5-1 对流传热基本概念
§5-1 对流传热基本概念
层流（Laminar flow）：流体微团沿主流方向作有规则的分层运 动，整个流场呈一簇互相平行的流线。
湍流（紊流，Turbulent flow）：流体个部分之间发生剧烈混合， 流体质点做复杂无规则的运动。
动力粘度 [N s m2 ]
§5-1 对流传热基本概念 h湍流 h层流
(u) (v) 0 x y
对于二维、稳态流动、密度为常数时：
u v 0 x y
§5-2 对流传热问题的数学描写
2)动量守恒方程
动量微分方程式描述流体速度场 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
作用力 = 质量 加速度（F=ma） 作用力：体积力、表面力
Q导热 + Q对流 = U热力学能
能量微分方程推导中的微元体
单位时间内、 沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量：
Qx"
Q"xdx
Q"x
Qx"
Qx" x