第9章 单相对流换热(课堂PPT)
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东南大学传热学对流换热总结(课堂PPT)
• 选取公式 N f 0 . 0 u R 0 2 f . 8 P f 0 . 4 e 3 0 r . 0 3 . 8 2 1 7 3 4 0 . 8 8 0 . 2 5 0 . 4 7 2 . 8 5
• 计算表面传热系数 h N d fi fu 2.8 5 2 5 0 1 8 .6 8 3 0 1 5 20 52 .4 W 5 m 2 3 K /
选取公式 N m 0 . 0 u R 0 m 2 . 8 P m 0 1 / 3 e 6 0 5 . 0 r6 1 . 0 2 1 6 5 6 0 . 8 0 . 0 0 7 6 1 5 / 3 7 0 2 . 6
计算表面传热系数 hN d m om u 2.6 3 2 2 .1 1 5 2 0 6 1 4 2 0 1.6 9 W m 2/K
.
6
•
定性温度：tf
1 2t'f
t"f
11 020 1℃5
2
• 查取物性参数：f 5 . 6 1 8 2 5 W 0 m K ,f / 1 . 1 1 5 6 m 2 / 0 , P 6 s f 8 . 2 r
• 计算已定准则 Rfeu fid11 .6 .1 25 1 86 10 6 0 33.871540
.
9
解：该问题属于外掠圆柱体的对流换热。 定性温度：tm1 2twt1 23 115 2℃3
查取物性参数 m 2 . 1 1 6 2 W 0 m 4 K ,m / 1 . 3 1 5 6 4 m 2 / 0 , P s m 0 . 7 r
计算已定准则 Rm eum od 2 .5 4 31.6 8 8 1 3 0 .4 3 5 5 1 0 2 4 1 3 0 6 0 1 .06 1 0 40 7
• 计算表面传热系数 h N d fi fu 2.8 5 2 5 0 1 8 .6 8 3 0 1 5 20 52 .4 W 5 m 2 3 K /
选取公式 N m 0 . 0 u R 0 m 2 . 8 P m 0 1 / 3 e 6 0 5 . 0 r6 1 . 0 2 1 6 5 6 0 . 8 0 . 0 0 7 6 1 5 / 3 7 0 2 . 6
计算表面传热系数 hN d m om u 2.6 3 2 2 .1 1 5 2 0 6 1 4 2 0 1.6 9 W m 2/K
.
6
•
定性温度：tf
1 2t'f
t"f
11 020 1℃5
2
• 查取物性参数：f 5 . 6 1 8 2 5 W 0 m K ,f / 1 . 1 1 5 6 m 2 / 0 , P 6 s f 8 . 2 r
• 计算已定准则 Rfeu fid11 .6 .1 25 1 86 10 6 0 33.871540
.
9
解：该问题属于外掠圆柱体的对流换热。 定性温度：tm1 2twt1 23 115 2℃3
查取物性参数 m 2 . 1 1 6 2 W 0 m 4 K ,m / 1 . 3 1 5 6 4 m 2 / 0 , P s m 0 . 7 r
计算已定准则 Rm eum od 2 .5 4 31.6 8 8 1 3 0 .4 3 5 5 1 0 2 4 1 3 0 6 0 1 .06 1 0 40 7
第9章单相对流换热-文档资料34页
N uf 1.071（ 2.7 f/ 8 f） /8 R 1 e/f2PrPr2/31 w f 0.14
0.5 < Pr < 2 000, 104 < Ref < 5106
23
物性修正和弯管修正
非圆截面管道，如椭圆管、环形夹层和不同长宽比的矩
形截面管道：当量直径
根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域： 温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热 边界层以外的近似等温流动区。
结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传 递规律就够了。
边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。 支配方程组得到了很大简化。
7
Ludwig Prandtl （1875—1953）
5
把整个流场划分成两个区域：
紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常
大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。 边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几
乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应
力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的
的关联式。 恒壁温水平板，热板上表面或冷板下表面 Nu = 0.54Ra1/4 , 104 ≤Ra ≤107 Nu = 0.15Ra1/3 , 107 ≤Ra ≤1011 热板下表面或冷板上表面 Nu = 0.27Ra1/4, 105 ≤Ra ≤1010 Ra GrPr，称瑞利数（Reyleigh number）
0.6Pr60 5×105 < Re ≤108
恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞尔数计算 关联式
Nxu 0.45R3 x1e/2P1/r3
0.5 < Pr < 2 000, 104 < Ref < 5106
23
物性修正和弯管修正
非圆截面管道，如椭圆管、环形夹层和不同长宽比的矩
形截面管道：当量直径
根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域： 温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热 边界层以外的近似等温流动区。
结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传 递规律就够了。
边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。 支配方程组得到了很大简化。
7
Ludwig Prandtl （1875—1953）
5
把整个流场划分成两个区域：
紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常
大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。 边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几
乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应
力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的
的关联式。 恒壁温水平板，热板上表面或冷板下表面 Nu = 0.54Ra1/4 , 104 ≤Ra ≤107 Nu = 0.15Ra1/3 , 107 ≤Ra ≤1011 热板下表面或冷板上表面 Nu = 0.27Ra1/4, 105 ≤Ra ≤1010 Ra GrPr，称瑞利数（Reyleigh number）
0.6Pr60 5×105 < Re ≤108
恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞尔数计算 关联式
Nxu 0.45R3 x1e/2P1/r3
《相变对流传热》PPT课件
凝结蒸汽量为：
qm r2 2.82 3 1 1 53 30 0 7 1.2 5 13 04.5kg/h
26
精选ppt
7.3 膜状凝结影响因素及其传热强化
7.3.1膜状凝结影响因素
不凝结气体
由于不凝结气体形成气膜，故：
1) 蒸气要扩散过气膜，形成阻力；
2) 气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低：
蒸气过热度
要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。实验证实，h-h’ 代 替 r 即可
28
精选ppt
液膜过冷度及温度分布的非线性
用r’ 代替计算公式中的 r：
r r 0 .6 c p ( t 8 s tw ) r 1 0 .6 J 8 a
管子排数n 理论上，n排管束换热只需将d nd ，
但由于凝结液落下时要产生飞溅以及对 液膜的冲击扰动，会使 h 增大； 同一铅垂面内，随着液膜的积累，h减 小。故前面推导的横管凝结换热的公式 只适用于单根横管。
t t
2t
u
x
v
y
al
y2
➢ 考虑假设⑦忽略蒸气密度； ➢ 考虑假设⑤之考虑导热
10
精选ppt
➢只有u 和 t 两个未知量，故控制方程简化为：
l
g
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
➢边界条件：
y0时，u0, t tw
y
时，du dy
0,
t ts
11
精选ppt
求解与结果 ➢流速u
由
根据能量守恒定律，微元体
rdqmdx
dqm
gl2 l
2
d
d x
rg ll 2l dl tstwdx
qm r2 2.82 3 1 1 53 30 0 7 1.2 5 13 04.5kg/h
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精选ppt
7.3 膜状凝结影响因素及其传热强化
7.3.1膜状凝结影响因素
不凝结气体
由于不凝结气体形成气膜，故：
1) 蒸气要扩散过气膜，形成阻力；
2) 气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低：
蒸气过热度
要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。实验证实，h-h’ 代 替 r 即可
28
精选ppt
液膜过冷度及温度分布的非线性
用r’ 代替计算公式中的 r：
r r 0 .6 c p ( t 8 s tw ) r 1 0 .6 J 8 a
管子排数n 理论上，n排管束换热只需将d nd ，
但由于凝结液落下时要产生飞溅以及对 液膜的冲击扰动，会使 h 增大； 同一铅垂面内，随着液膜的积累，h减 小。故前面推导的横管凝结换热的公式 只适用于单根横管。
t t
2t
u
x
v
y
al
y2
➢ 考虑假设⑦忽略蒸气密度； ➢ 考虑假设⑤之考虑导热
10
精选ppt
➢只有u 和 t 两个未知量，故控制方程简化为：
l
g
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
➢边界条件：
y0时，u0, t tw
y
时，du dy
0,
t ts
11
精选ppt
求解与结果 ➢流速u
由
根据能量守恒定律，微元体
rdqmdx
dqm
gl2 l
2
d
d x
rg ll 2l dl tstwdx
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
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
对流换热ppt 精品
Page 10
4、对流换热的分类
Page 11
二、对流换热计算公式----牛顿公式
tw t f t aAt 1 R A tw t f t 或 q a t 1 r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流 换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
2) 设备的散热等。
Page 7
换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
Page 8
3、对流换热的特点
(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差 (3) 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。
t — 热边界层厚度 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和 边界层内的温度分布 Page 18
（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量；
层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变 化；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热， 换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导 热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
主流区
uf
y uf
uf
边界层界限
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
Page 15
层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。 边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。 边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。 层内速度梯度很大。
4、对流换热的分类
Page 11
二、对流换热计算公式----牛顿公式
tw t f t aAt 1 R A tw t f t 或 q a t 1 r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流 换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
2) 设备的散热等。
Page 7
换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
Page 8
3、对流换热的特点
(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差 (3) 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。
t — 热边界层厚度 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和 边界层内的温度分布 Page 18
（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量；
层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变 化；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热， 换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导 热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
主流区
uf
y uf
uf
边界层界限
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
Page 15
层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。 边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。 边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。 层内速度梯度很大。
第九章对流传热ppt课件
算或测出靠近固相壁附近的温度场 T(y)，基于下式计算出对流换
热系数 h：
q
T y
|y0
q = h (Tf - Ts)
hTy|y0 (TTs)
式中：λ－流体导热系数，
Ty－固体壁附近的的流体温度分布 。 上式是根据粘性流动流体在固相表面上的状态导出的 。
.
17
由于流体的粘性η≠0，在固相表面总存在一薄层流 体相对固体静止，这样流体与固相壁之间的传热热 流量q，毕竟要通过这层相对静止的流体，而且是通 过导热方式进行。由傅立叶定律
2Vy y 2
2Vy z 2
p y
gy
V t
Vx
Vz x
Vy
Vz y
Vz
Vz z
2Vz x2
2Vz y 2
2Vz z 2
p z
gz
Vx Vy Vz 0 x y z
.
30
（9-5）方程可写成：
TVT2T
t
书上191页给出柱面坐标系的对流传热方程的形式。即 （9-7）式：
.
24
同除x y z t
qxx qx qyy qy qzz qz
x
y
z
(VxH)xx (VxH)x (VyH)yy (VyH)y
x
y
(VzH)zz (VzH)z Htt Ht
z
t
.
25
qx qy qz (VxH)(VyH)(VzH)(H)
x y z x
y
z
t
将dHCpdT
qx
-T
x
代入
2xT2 y2T2 2zT2 HVxx
y ·z ·t qx 2). x 方向的热量输出：
传热学-对流换热PPT课件
传热学-对流换热
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。
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。
对流传热-单相对流传热实验关联式(77页)
dp dx
0,dxdu
0
3) 后半周，减速流动
dp dx
0,dxdu
0
4) 脱体位置取决于Re 数： Re 10; 不脱体
10 Re 1.5 105 , 层流脱体, 80 85
Re 1.5 105 , 湍流脱体, 140
2.流体横掠方形障碍
（Flow over
a
obstacle）
cubic
3. 卡门涡街
56.6x10-6 4174
大型火电空冷机组(直接冷却或间接冷却) 200MW，300MW，600MW
富煤缺水地区：空冷相对于湿冷，可节约3/4耗水量
3.2.2 流体外掠平 板
1. 外掠等温平板层流对流换热问题的分析 解
1.1 解的结果
离开前缘 x 处的边界层厚度
y u∞
主流区
5.0 x Rex
3. 说明 ①湍流，热边界条件的影响可以忽略不计( UHF/UWT ) ②注意不同关联式的适用范围
③长为l一段光滑管内的平均表面传热系数 4. 液态金属，Pr 很小（UHF；UWT）
见公式6-24、6-25
UHF 入口段
UWT 湍流
UHF
充分发展段 UWT
发电机组冷却技术的发展看冷却介质的影响
2.现象及特点
1. 现象 由于流体中各部分密度不均匀引起的一种流动与传热现象，其流动与传热过程
不可分割。
2. 驱动力 温度场不均匀→密度的不均匀→浮升力
2. 说明 · 换热弱，但经济、安全、平静 · 常温下物体表面上总换热量常需同时考虑与周围气体间的自然对流以及与周围其它
表面间的辐射传热 · 不均匀的温度场不一定引起自然对流
hx xx
hl 0.664Re1/ 2 Pr1/3
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第 9章
单相对流换热
9.1 对流换热的物理机制
9.2 边界层理论简介
9.3 沿平壁的对流换热计算
9.4 绕流圆柱体的对流换热计算
9.5 管内对流换热计算
9.6 自然对流换热计算
9.7 对流换热的强化 第 9 章
1
9.1 对流换热的物理机制
▪ 对流换热的物理机制比导热复杂很多，原因是对流换热中热 对流和热传导两种换热方式同时发生，流体的速度和方向等 很多项物性参数都对换热的强弱具有重要影响。
5/8 4/5
只要求：Red Pr > 0.2
▪ 茹卡乌斯卡斯（A. Zhukauskas）计算式
Nud
CRedmPr n
Pr Prw
1/ 4
0.7 Pr 500, 1 Red 106
▪ 除壁面普朗特数Prw以外，其它所有物性按主流温度取值。 各项常数值见间距 ▪ 顺排 和 叉排 (2) 前排尾流对后排有影响 ▪ 排数修正
h 1 A
A hxdAx
影响对流换热的主要因素 为 (1) 流动状态和流动的起因 ▪ 层流、湍流和过渡流
▪ 雷诺数，Re u L / ，临界雷诺数
第9章
3
(2) 流体的热物理性质 ▪ 密度和比热容 ▪ 导热系数 ▪ 粘度 ▪ 流体的物性全部都是温度的函数 ▪ 定性温度，或称 参考温度 ▪ 边界层的平均温度 tm = ( tw + tf ) / 2，也称为 边界层膜温度
件不甚敏感。管内对流换热也同样。
第9章
13
9.4 绕流圆柱体的对流换热计算
流体绕流圆柱体时的流场
绕流圆柱体尾部流场的可视化 第 9 章
14
▪ 计算管表面平均表面传热系数的邱吉尔－伯恩斯坦关联式
Nud 0.3
0.62Re1d/ 2 Pr1/3
1 0.4 / Pr 2/3 1/ 4
1
Red 282 000
第9章
16
▪ 针对气体的格雷米森（E. D. Grimison）计算关联式
Nu d
CRe
m d ,max
▪ 对流换热的强弱用表面传热系数来表示
qx
hx
tw
tf
x
▪ 表面传热系数的物理实质 。
▪ 紧贴壁面的流体是静止不动的，这被称为无滑移条件。于是 热量传递在通过这一层“静止”的流体时只能依靠导热机理
qx
t y
y0, x
qx
hx
tw
tf
x
hx
Δt x第9
t 章y
y0,x
2
特定x 位置的局部表面传热系数沿程变化，当对流换热温 差恒定时，表面上的平均表面传热系数与局部值之间具有
Rex < 5×105，0.6≤Pr≤15 Nux 0.029 6Rex4/5Pr1/3 5×105 < Rex <107，0.6 < Pr < 60 • 特别注意平均Nu与局部Nux 之间的关系！ • 遵守关联式适用范围规定：自变量，定性温度，特征 尺寸， 适用何种边界条件等
NuL
hL
0.664ReL1/ 2Pr1/3
▪ 在壁面上，有ty =0 = tw
▪ 流体过余温度比 (tw－t ) / (tw－tf ) = 0.99 所对应的离壁
距离为热边界层厚度，记作t 。
▪ 根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域： 温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热 边界层以外的近似等温流动区。
▪ 结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传 递规律就够了。
0.6 Pr 60
5×105 < Re ≤108
▪ 恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞尔数计算 关联式
Nux 0.453Rex1/ 2Pr1/ 3
NuL 0.680ReL1/ 2 Pr1/3
第9章
12
▪ 湍流恒热流条件下，局部努塞尔数只比恒壁温时 大约高4％
Nux 0.030 8Rex4 / 5Pr1/ 3 0.6 Pr 60 ▪ 结论：层流对边界条件的变化比较敏感，湍流状态对边界条
▪ 定义以下的无量纲参数
X x , Y y , t tw ,
L
L
tf tw
▪ 代入式(9-2)，得到
hx
L
Y
Y 0, x
Nux
hx x
Y
Y 0, x
▪ 局部努塞尔数Nux ,流体在壁面上的无量纲温度梯度。
第9章
10
▪ 在恒壁温条件下，层流和湍流的局部努塞尔数分别等于 Nux 0.332Rex1/ 2Pr1/ 3
边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。
支配方程组得到了很大简化。
第9章
7
Ludwig Prandtl （1875—1953）
第9章
8
Osborne Reynolds (1842—1912)
Wilhelm Nusselt （1882 — 1957）
第9章
9
9.3 沿平壁的对流换热计算
0.6 < Pr < 60
NuL
hL
0.037 ReL 4 / 5 Pr1/ 3
第9章
0.6 < Pr < 60
11
▪ 实际上，前面先是层流，达到临界雷诺数以后才转变成湍
流：分段积分
h
1 L
xc 0
hl
dx
L xc
ht
dx
NuL hL / (0.037ReL 0.8 871) Pr 1/ 3
▪ 对流换热计算中存在一项特别的无量纲物性特征数，称为普
朗特数，Pr /a。它表示流体扩散动量的能力与扩散热量
能力的相对大小。
(3) 换热表面的几何参数 特征尺寸，习惯上也称为定型尺寸
(4) 表面的热边界条件
层流状态对边界条件的变化比较敏感，而湍流时不甚敏感。
两种最典型的热边界条件是第 恒9 章壁温和恒热流
乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应
力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似被视为无
粘性的理想流体。
▪ 层流边界层 ▪ 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的
缓冲层以及湍流核心三部分组成。
第9章
6
▪ 当流体与壁面之间存在温差时， 温度的变化也主要发生在紧贴壁 面的一个薄层内，其中的温度梯 度非常大： 热边界层。
4
9.2 边界层理论简介
▪ 均匀速度u 的流体从平板上方流过，壁面上的流体静止 ▪ 速度边界层，也称为流动边界层
▪ 速度边界层外缘达到主流速度的 99％
第9章
5
把整个流场划分成两个区域：
▪ 紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常
大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。 ▪ 边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几
单相对流换热
9.1 对流换热的物理机制
9.2 边界层理论简介
9.3 沿平壁的对流换热计算
9.4 绕流圆柱体的对流换热计算
9.5 管内对流换热计算
9.6 自然对流换热计算
9.7 对流换热的强化 第 9 章
1
9.1 对流换热的物理机制
▪ 对流换热的物理机制比导热复杂很多，原因是对流换热中热 对流和热传导两种换热方式同时发生，流体的速度和方向等 很多项物性参数都对换热的强弱具有重要影响。
5/8 4/5
只要求：Red Pr > 0.2
▪ 茹卡乌斯卡斯（A. Zhukauskas）计算式
Nud
CRedmPr n
Pr Prw
1/ 4
0.7 Pr 500, 1 Red 106
▪ 除壁面普朗特数Prw以外，其它所有物性按主流温度取值。 各项常数值见间距 ▪ 顺排 和 叉排 (2) 前排尾流对后排有影响 ▪ 排数修正
h 1 A
A hxdAx
影响对流换热的主要因素 为 (1) 流动状态和流动的起因 ▪ 层流、湍流和过渡流
▪ 雷诺数，Re u L / ，临界雷诺数
第9章
3
(2) 流体的热物理性质 ▪ 密度和比热容 ▪ 导热系数 ▪ 粘度 ▪ 流体的物性全部都是温度的函数 ▪ 定性温度，或称 参考温度 ▪ 边界层的平均温度 tm = ( tw + tf ) / 2，也称为 边界层膜温度
件不甚敏感。管内对流换热也同样。
第9章
13
9.4 绕流圆柱体的对流换热计算
流体绕流圆柱体时的流场
绕流圆柱体尾部流场的可视化 第 9 章
14
▪ 计算管表面平均表面传热系数的邱吉尔－伯恩斯坦关联式
Nud 0.3
0.62Re1d/ 2 Pr1/3
1 0.4 / Pr 2/3 1/ 4
1
Red 282 000
第9章
16
▪ 针对气体的格雷米森（E. D. Grimison）计算关联式
Nu d
CRe
m d ,max
▪ 对流换热的强弱用表面传热系数来表示
qx
hx
tw
tf
x
▪ 表面传热系数的物理实质 。
▪ 紧贴壁面的流体是静止不动的，这被称为无滑移条件。于是 热量传递在通过这一层“静止”的流体时只能依靠导热机理
qx
t y
y0, x
qx
hx
tw
tf
x
hx
Δt x第9
t 章y
y0,x
2
特定x 位置的局部表面传热系数沿程变化，当对流换热温 差恒定时，表面上的平均表面传热系数与局部值之间具有
Rex < 5×105，0.6≤Pr≤15 Nux 0.029 6Rex4/5Pr1/3 5×105 < Rex <107，0.6 < Pr < 60 • 特别注意平均Nu与局部Nux 之间的关系！ • 遵守关联式适用范围规定：自变量，定性温度，特征 尺寸， 适用何种边界条件等
NuL
hL
0.664ReL1/ 2Pr1/3
▪ 在壁面上，有ty =0 = tw
▪ 流体过余温度比 (tw－t ) / (tw－tf ) = 0.99 所对应的离壁
距离为热边界层厚度，记作t 。
▪ 根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域： 温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热 边界层以外的近似等温流动区。
▪ 结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传 递规律就够了。
0.6 Pr 60
5×105 < Re ≤108
▪ 恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞尔数计算 关联式
Nux 0.453Rex1/ 2Pr1/ 3
NuL 0.680ReL1/ 2 Pr1/3
第9章
12
▪ 湍流恒热流条件下，局部努塞尔数只比恒壁温时 大约高4％
Nux 0.030 8Rex4 / 5Pr1/ 3 0.6 Pr 60 ▪ 结论：层流对边界条件的变化比较敏感，湍流状态对边界条
▪ 定义以下的无量纲参数
X x , Y y , t tw ,
L
L
tf tw
▪ 代入式(9-2)，得到
hx
L
Y
Y 0, x
Nux
hx x
Y
Y 0, x
▪ 局部努塞尔数Nux ,流体在壁面上的无量纲温度梯度。
第9章
10
▪ 在恒壁温条件下，层流和湍流的局部努塞尔数分别等于 Nux 0.332Rex1/ 2Pr1/ 3
边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。
支配方程组得到了很大简化。
第9章
7
Ludwig Prandtl （1875—1953）
第9章
8
Osborne Reynolds (1842—1912)
Wilhelm Nusselt （1882 — 1957）
第9章
9
9.3 沿平壁的对流换热计算
0.6 < Pr < 60
NuL
hL
0.037 ReL 4 / 5 Pr1/ 3
第9章
0.6 < Pr < 60
11
▪ 实际上，前面先是层流，达到临界雷诺数以后才转变成湍
流：分段积分
h
1 L
xc 0
hl
dx
L xc
ht
dx
NuL hL / (0.037ReL 0.8 871) Pr 1/ 3
▪ 对流换热计算中存在一项特别的无量纲物性特征数，称为普
朗特数，Pr /a。它表示流体扩散动量的能力与扩散热量
能力的相对大小。
(3) 换热表面的几何参数 特征尺寸，习惯上也称为定型尺寸
(4) 表面的热边界条件
层流状态对边界条件的变化比较敏感，而湍流时不甚敏感。
两种最典型的热边界条件是第 恒9 章壁温和恒热流
乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应
力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似被视为无
粘性的理想流体。
▪ 层流边界层 ▪ 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的
缓冲层以及湍流核心三部分组成。
第9章
6
▪ 当流体与壁面之间存在温差时， 温度的变化也主要发生在紧贴壁 面的一个薄层内，其中的温度梯 度非常大： 热边界层。
4
9.2 边界层理论简介
▪ 均匀速度u 的流体从平板上方流过，壁面上的流体静止 ▪ 速度边界层，也称为流动边界层
▪ 速度边界层外缘达到主流速度的 99％
第9章
5
把整个流场划分成两个区域：
▪ 紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常
大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。 ▪ 边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几