第10章 对流换热(中文课件)
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【精品】传热学第十章传热过程和换热器计算PPT课件
传热方程式： Φ= KAΔt
式中：K为传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，
K的计算公式不同。
K 1 R tot
10.2 换热器的型式
1 换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流 体，以满足规定工艺要求的装置。
2 换热器的分类：
混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现 热量交换。
传热工程技术的两个方向：强化传热技术与削弱传热技术 （又称隔热保温技术）。
无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和 改变传热热阻两方面入手。 以换热器内的传热过程为例：
kAtm 1 tm R tkmRh1 R tm Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 t m ； （2）减小传热热阻 R k 。
Ti
dq
T
dT c
In
Ti
To
T dq
dT c
Out
In
dT h
To
Out
2 算术平均温差
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术 tma2 x tmin
tm,对数
tmax tmin ln tmax
tmin
算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，
当 tmax tmin 2时，两者的差别小于4％； 当 tmax tmin1.7时，两者的差别小于2.3％。
通常，对逆流的对 数平均温差进行修 正以获得其他复杂 流动方式下的平均 温差。
tm(tm)ctf
教程中图10-23~10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式 换热器的 。
值取决tc
Rth th tctc
式中：下标h、c分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口，`` 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。
式中：K为传热系数(总传热系数)。对于不同的传热过程，
K的计算公式不同。
K 1 R tot
10.2 换热器的型式
1 换热器的定义：用于使热量从热流体传递到冷流 体，以满足规定工艺要求的装置。
2 换热器的分类：
混合式：换热器内冷、热流体直接接触、互相混合来实现 热量交换。
传热工程技术的两个方向：强化传热技术与削弱传热技术 （又称隔热保温技术）。
无论是强化传热还是削弱传热，一般都是从改变传热温差和 改变传热热阻两方面入手。 以换热器内的传热过程为例：
kAtm 1 tm R tkmRh1 R tm Rh2
kA
传热强化途径： （1）加大传热温差 t m ； （2）减小传热热阻 R k 。
Ti
dq
T
dT c
In
Ti
To
T dq
dT c
Out
In
dT h
To
Out
2 算术平均温差
平均温差的一种最简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术 tma2 x tmin
tm,对数
tmax tmin ln tmax
tmin
算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，
当 tmax tmin 2时，两者的差别小于4％； 当 tmax tmin1.7时，两者的差别小于2.3％。
通常，对逆流的对 数平均温差进行修 正以获得其他复杂 流动方式下的平均 温差。
tm(tm)ctf
教程中图10-23~10-26分别给出了管壳式换热器和交叉流式 换热器的 。
值取决tc
Rth th tctc
式中：下标h、c分别表示两种流体，上角标 ` 表示进口，`` 表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。
no1011025对流传热的理论基础51页PPT
主要内容：
5-1 对流换热概说 5-2 对流换热问题的数学描写 5-3 对流换热的边界层微分方程组 5-4 边界层积分方程组的求解及比拟理论
§5-1 对流换热概述
1 对流换热的定义、性质和目的 定义: 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间 的热量传递现象。
性质：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
16
前面4个方程求出温度场之后，可以利用对流换热微分方程：
hx
t
t y
w,x
计算当地对流换热系数 h x
说明：
1、4个方程，4个未知数(u,v,p,t) ，方程虽封闭，但是难求解；
2、1904年德国科学家普朗特(L. Prandtl) 提出了边界层概念，使 方程分析解得到发展。
17
5-3 对流换热的边界层微分方程组
目的：计算h
2
2 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
3 对流换热的基本计算式?
牛顿冷却公式:
Φ h(tA w t )W
qΦ A
7
6 对流换热的分类：
(1) 流动起因
自然对流：流体因各部分 温度不同而引起的密度差 异在重力作用下所产生的 流动 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产 生的流动
h强制 h自然
8
(2) 流动状态（流动型态，流型）
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流：流体质点做复杂无规则的运动
h湍流h层流
4个未知量:：速度 u、v；温度 t；压力 p
5-1 对流换热概说 5-2 对流换热问题的数学描写 5-3 对流换热的边界层微分方程组 5-4 边界层积分方程组的求解及比拟理论
§5-1 对流换热概述
1 对流换热的定义、性质和目的 定义: 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间 的热量传递现象。
性质：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
16
前面4个方程求出温度场之后，可以利用对流换热微分方程：
hx
t
t y
w,x
计算当地对流换热系数 h x
说明：
1、4个方程，4个未知数(u,v,p,t) ，方程虽封闭，但是难求解；
2、1904年德国科学家普朗特(L. Prandtl) 提出了边界层概念，使 方程分析解得到发展。
17
5-3 对流换热的边界层微分方程组
目的：计算h
2
2 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
3 对流换热的基本计算式?
牛顿冷却公式:
Φ h(tA w t )W
qΦ A
7
6 对流换热的分类：
(1) 流动起因
自然对流：流体因各部分 温度不同而引起的密度差 异在重力作用下所产生的 流动 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产 生的流动
h强制 h自然
8
(2) 流动状态（流动型态，流型）
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 湍流：流体质点做复杂无规则的运动
h湍流h层流
4个未知量:：速度 u、v；温度 t；压力 p
第十章自然对流详解演示文稿
l
l
u
v
U and V
u0
u0
t t tw t
l 为特征长度, u0 为任意选择的参考速度
Nu
Y Y 0 U V 0 X Y
U
U X
V
U Y
g (tw t )l
u02
1 Rel
2U Y 2
U V X YBiblioteka 1 2 Rel Pr Y 2
• 定义Gr数,
Grl
g (tw t )l3 2
• 重点：大空间垂直平壁上的层流自然对流Nu关联式 • 自然对流的边界层
• 浮力 –流体 密度差 –体积力：重力，科里奥利力
温差密度差浮升力自然对流自然对流换热
• 自由发展边界层 热管道，热导线等
大空间竖直平壁上的自然对流换热
tw t
u(x,y)
tw
t
g x
y u
v
• 层流，湍流?
• 层流：热阻主要取决于 边 界 层厚度 ， hx逐渐 减 小
• 或，利用针对常热流的经验关联式：(10-79) to (10-87)
自然对流与强制对流并存的混合对流
在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流
考察浮升力与惯性力的比值
一般认为，
gtl3 2 Gr 2 u 2l2 Re2
Gr / Re2 0.1 时，自然对流的影响不能忽略，
而 Gr / Re2 10 时，强制对流的影响相对于自然对流可以
• 动量方程→
U
U X
V
U Y
Grl Rel 2
1 Rel
2U Y 2
• 自然对流里的Gr数类比于强迫对流里的Re数
• Gr数的物理意义：浮力与粘性力的比值 – Gr 数越大，自然对流越强烈flow
10-1对流换热解析
2018/10/6
华北电力大学(北京)动力系热工教研室-气动声学实验室
5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺寸、相对位 置以及表面粗糙度等几何因素将影响 流体的流动状态，因此影响流体的速 度分布和温度分布，对对流换热产生 影响。 特征尺度L (特征长度或定型尺寸)： 分析计算对流换热时，在准则方程中 采用的几何尺度，表征几何因素对对 流换热的影响。 对流换热的原则性方程 流速 浮升力
y
⑤无内热源，忽略由于粘性耗散产生的耗散热 ⑥二维流动 对流换热系数与流体温度场的关系：
流体流过壁面时，由于粘性，紧靠 壁面处流体静止，热量传递只能靠
导热 ：
u
y
u
qx
u
x ( L)
q x
2018/10/6
t hx t w t x y y 0, x
华北电力大学(北京)动力系热工教研室-气动声学实验室
hx
t
t x y y 0, x h
t
t y y 0
取平均温差、平均温度梯度，则平均对流换热系数为：
上面两式建立了对流换热系数与温度场之间的关系。而流 体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模 型应该包括描写速度场和温度场的微分方程。
1）连续性微分方程（质量守恒）
W / m2
分析对流换热问 题的目的是得到 对流换热系数 h
h
2018/10/6
1 hx dA AA
华北电力大学(北京)动力系热工教研室-气动声学实验室
一、流动边界层
yu y
T
温度分布
速度分布
q
Tw
uy
流体流过壁面形成流动边界层
Ty
du dy
华北电力大学(北京)动力系热工教研室-气动声学实验室
5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺寸、相对位 置以及表面粗糙度等几何因素将影响 流体的流动状态，因此影响流体的速 度分布和温度分布，对对流换热产生 影响。 特征尺度L (特征长度或定型尺寸)： 分析计算对流换热时，在准则方程中 采用的几何尺度，表征几何因素对对 流换热的影响。 对流换热的原则性方程 流速 浮升力
y
⑤无内热源，忽略由于粘性耗散产生的耗散热 ⑥二维流动 对流换热系数与流体温度场的关系：
流体流过壁面时，由于粘性，紧靠 壁面处流体静止，热量传递只能靠
导热 ：
u
y
u
qx
u
x ( L)
q x
2018/10/6
t hx t w t x y y 0, x
华北电力大学(北京)动力系热工教研室-气动声学实验室
hx
t
t x y y 0, x h
t
t y y 0
取平均温差、平均温度梯度，则平均对流换热系数为：
上面两式建立了对流换热系数与温度场之间的关系。而流 体的温度场又和速度场密切相关，所以对流换热的数学模 型应该包括描写速度场和温度场的微分方程。
1）连续性微分方程（质量守恒）
W / m2
分析对流换热问 题的目的是得到 对流换热系数 h
h
2018/10/6
1 hx dA AA
华北电力大学(北京)动力系热工教研室-气动声学实验室
一、流动边界层
yu y
T
温度分布
速度分布
q
Tw
uy
流体流过壁面形成流动边界层
Ty
du dy
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
高等传热学课件对流换热
高等传热学课件对流换热高等传热学课件对流换热一、概述湍流模型是半经验、半理论的研究方法，其目的是将湍流的脉动相关项与时均量联系起来，使时均守恒方程封闭。
自1925年Prandtl提出混合长度理论，各国学者对湍流模型进行了大量研究，提出了许多模型。
W.C.Regnolds建议按模型中所包含的微分方程数目进行分类，成为目前适用的湍流模型分类方法。
一般将湍流模型分为：z 零方程模型（代数方程模型）z 一方程模型z 二方程模型z 多方程模型研究（Morkovin 莫尔科文）表明：当M<5时，流体的可压缩性对湍流结构不起主导影响，因此我们仅参考不可压缩情况。
根据大量的实验研究结果，湍流边界层对流换热的强弱主要取决在内层区：由相似原理分析得出，Prt近似是一个常数（Prt≈0.9）这样，只要确定了νt，即可容易地得到αt，所以在介绍湍流模型时，只给出νt或t时均量的关系式。
二、零方程模型（代数方程模型）零方程模型中不包含微分方程，而用代数关系式将νt与时均量关联起来。
Prandtl混合长度理论是最早的代数方程模型。
它适用于：充分发展的湍流剪切流边界层内层，y≤0.2δ。
对外层区，一些学者研究后仍沿用Prandtl混合长度的模型关系式：但，L=λ δ （3.7.1）实验常数λ在0.08~0.09之间。
Von Kármán、Deissler、Van Driest、Taylor等人先后提出了更完善的代数方程模型。
(1) Von Kármán模型Von Kármán假设湍流内各点的脉动相似（局部相似），即各点之间只有长度尺度与空间尺度的.差别。
对平行流流场，若对某点（y0处）附近的时均速度进行Taylor展开：（a）若流动相似，则必有尺度L与速度u0（u0＝u(y0)）使上式无量纲后成为通用分布。
u(y0)y令 Y=； U(Y)= u0L则有无量纲形式：（b）若上式是相似的通用速度分布，则式中各系数之比应与位置无关，而是一个常数。
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。
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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
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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。
传输原理对流换热课件
详细描述
有限差分法基于泰勒级数展开，将微 分问题转化为差分问题，通过迭代求 解离散点上的值，最终得到近似解。 该方法简单直观，适用于规则区域。
有限元法
总结词
一种将连续域离散化为有限个小的子 域（或单元），再将每个子域（或单 元）的解用近似函数表示，最后将所 有子域（或单元）的解组合起来形成 原问题的近似解的方法。
详细描述
对流换热是流体流动过程中，流体的热量通过壁面的导热和 对流作用传递给壁面的过程。这种热量传递方式在自然界和 工程领域中广泛存在，如空气与物体的对流换热、液体与管 道的对流换热等。
对流换热分类
总结词
根据流动状态和流体物性，对流换热可以分为层流换热、湍流换热、凝结换热、沸腾换热等。
详细描述
层流换热是指流体在层流状态下进行的热量传递过程，湍流换热是指流体在湍流状态下进行的热量传递过程；凝 结换热是指水蒸气在冷壁上凝结时释放的潜热传递给壁面的过程；沸腾换热是指液体在沸腾状态下，通过汽化作 用将热量传递给壁面的过程。
详细描述
在建筑环境中，对流换热是实现室内温度和湿度控制 的主要方式之一。通过对流换热，室内空气可以与外 界空气进行交换，以保持室内环境的舒适度。建筑环 境中的对流换热可以通过自然对流、机械通风等方式 实现，同时需要考虑建筑物的朝向、窗户设计等因素 的影响。
THANKS
谢谢
传输原理对流换热课件
目录
CONTENTS
• 对流换热基础 • 传输原理在热对流中的应用 • 传输原理在热对流中的数学描述 • 对流换热的数值模拟方法 • 对流换热实验研究方法 • 对流换热在工程中的应用实例
01
CHAPTER
对流换热基础
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体壁面之间由于温差而引起的热量传 递过程。
有限差分法基于泰勒级数展开，将微 分问题转化为差分问题，通过迭代求 解离散点上的值，最终得到近似解。 该方法简单直观，适用于规则区域。
有限元法
总结词
一种将连续域离散化为有限个小的子 域（或单元），再将每个子域（或单 元）的解用近似函数表示，最后将所 有子域（或单元）的解组合起来形成 原问题的近似解的方法。
详细描述
对流换热是流体流动过程中，流体的热量通过壁面的导热和 对流作用传递给壁面的过程。这种热量传递方式在自然界和 工程领域中广泛存在，如空气与物体的对流换热、液体与管 道的对流换热等。
对流换热分类
总结词
根据流动状态和流体物性，对流换热可以分为层流换热、湍流换热、凝结换热、沸腾换热等。
详细描述
层流换热是指流体在层流状态下进行的热量传递过程，湍流换热是指流体在湍流状态下进行的热量传递过程；凝 结换热是指水蒸气在冷壁上凝结时释放的潜热传递给壁面的过程；沸腾换热是指液体在沸腾状态下，通过汽化作 用将热量传递给壁面的过程。
详细描述
在建筑环境中，对流换热是实现室内温度和湿度控制 的主要方式之一。通过对流换热，室内空气可以与外 界空气进行交换，以保持室内环境的舒适度。建筑环 境中的对流换热可以通过自然对流、机械通风等方式 实现，同时需要考虑建筑物的朝向、窗户设计等因素 的影响。
THANKS
谢谢
传输原理对流换热课件
目录
CONTENTS
• 对流换热基础 • 传输原理在热对流中的应用 • 传输原理在热对流中的数学描述 • 对流换热的数值模拟方法 • 对流换热实验研究方法 • 对流换热在工程中的应用实例
01
CHAPTER
对流换热基础
对流换热定义
总结词
对流换热是指流体与固体壁面之间由于温差而引起的热量传 递过程。
知识点：对流(热对流)PPT.
知识点：对流（热对流）
W （1） 式中 tw—固体壁面温度，℃； tf—流体温度，℃； α —对流换热系数，W/m2. ℃ 。 是指单位面积上，当流体同固体壁面 间为单位温差，在单位时间内的对流换 热量。用以表述对流换热过程的强弱。 它取决于流体的物理性质、流体的流速 与流态、物体表面的形状和尺寸等多项 因素。 利用热阻的概念，式（1）可改写 为
知识点：对流（热对流）
热量传递的第二种基本方式是对流（也称热对流）。 1.对流的概念 热对流是指由于流体的宏观运动，将热量由一处传递到 另一处的热量传递过程。 2.对流换热的概念 在日常生活和生产实践中遇到的热量传递问题，多是流 体和它所接触的固体表面之间的热量传递。流体和固体壁面 间的热量传递，称对流换热。它是流体导热和对流两种基本 热量传递方式共同作用的结果。 3.对流换热的计算公式 对流换热的基本计算公式是牛顿在1701年提出的，称为 牛顿冷却公式，即对流换热热流量
(t w t f ) F
t tw tf
Φ
0
Φ
x
tw
tf 1 Rα = α F
图1 对流换热
知识点：对流（热对流）
tw t f 1 F tw t 1b） （2）
1 R F
Rα 称为Fm2面积上的对流换热热阻，单位℃/W。图1下部 为对流换热的电路模拟图。
对流换热计算——传热学课件PPT
l
2
散热量
1 hAtw t hdltw t
4.483.14 10102 250 10 112.5W
水平部分
Grm
计算已定准则
Grm
gtl 3 2
竖直管部分
Grm
gtl3 2
gtl3
Tm 2
9.81 50 10 23 30 273 16106
2
4.0471010
计算公式
Num
0.11Gr
Pr
1/ 3 m
0.11
4.0471010
0.701 1/3
335.5
计算表面传热系数 h Numm 335 .5 2.67 102 4.48W/ m2 K
选取公式 Num 0.0266Re0m.805 Prm1/3 0.02661.0607105 0.805 0.702 1/3 262.6
计算表面传热系数
h
Numm
do
262.6 2.164102 35102
19.6W/
m2 K
计算散热量 hAtw t hdHtw t 19.63.14 0.351.753115 603.55W 5.5106 J
•
计算表面传热系数 h Nu f f
di
250.8 58.65102 28103
5253.4W/
m2 K
• 根据热平衡计算内壁温度 ' hAl twi t f
twi
' hAl
tf
'
hdil
tf
5253
41.21103 3.14 28103
1.7
15
67.5℃
从管内壁到管外壁进行的热量传递过程为通过圆筒壁的导 热，所以可以根据圆筒壁导热量计算公式计算管外壁温度
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郭煜《工程热力学与传热学 》
工程热力学与传热学
传热学 第十章 对流换热
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第十章 对流换热
内容要求
掌握对流换热问题的机理和影响因素 了解对流换热的数学描述 边界层理论概述与边界层内对流换热微分方程组的简化 外掠等壁温平板层流换热分析解简介 掌握对流换热的实验研究方法，相似原理 各种典型对流换热的基本特点和计算方法
tw — 固体表面的平均温度。 tf — 流体温度。
• 外部绕流（外掠平板，圆管）： tf 为流体的主流温度。
• 内部流动（各种形状槽道内的流动）： tf 为流体的平均温度。
tf
d
外部绕流
管内流动
郭煜《工程热力学与传热学 》
4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数
局部对流换热时，局部热流密度：
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 流动的状态 —— 层流流动与湍流流动
层流（Laminar flow）
流速缓慢 沿轴线或平行于壁面作规则分层运动 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
u∞
u
导热qBiblioteka 0 层流边界层x管内层流流动
Example Oils-- the flow of high-viscosity fluid at
（管内强制对流换热，外掠壁温强制对流换热， 自然对流换热等）
郭煜《工程热力学与传热学 》
10-1 对流换热概述
10-1-1 基本概念和计算公式
1. 对流换热（Convection heat transfer）
流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用 的热量传递现象。
2. 牛顿冷却公式（Newton’s law of cooling）
层流底层 q
对流 导热
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
x
Example Air-- the flow of low-viscosity fluid at high velocities is typically turbulent.
郭煜《工程热力学与传热学 》
3. 流体有无相变
有相变的换热 —— 沸腾换热与凝结换热 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同
qx hx (tw t f )x
整个换热物体表面的总对流换热量：
Q A qxdA A hx (tw t f )x dA
平均表面传热系数：
h Q
(tw t f ) A
1 A
A hxdA
对流换热的核心问题
u∞ tf
tw 0
tw-tf=Const
qx twx hx
A
x
x
郭煜《工程热力学与传热学 》
10-1-2 对流换热的影响因素
1. 流动的起因 —— 强迫对流与自然对流
强迫对流换热（Forced Flow ） 流体在风机，水泵或其他外部动力作用下产生的流动。
自然对流换热（Natural Flow） 流体在不均匀的体积力作用下产生的流动。
对空气h： 自然对流 h 5 25W /(m2 K ) 强迫对流 h 10 100W /(m2 K )
加热水沸腾，由液态变为气态 蒸气在对流换热中被冷却而凝结
就对流传热方式而言 • 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
郭煜《工程热力学与传热学 》
4. 流体的热物理性质（Physical properties of fluid）
对对流换热的强弱有非常大的影响。
密度和比热容
体积热容 cp ：单位体积流体热容量的大小
low velocities is typically laminar.
郭煜《工程热力学与传热学 》
湍流（Turbulent flow）
流体内部存在强烈脉动和旋涡运动 各部分流体之间迅速混合 热量传递：主要靠对流
湍流边界层 层流底层：导热
湍流核心区：对流
主流区
u∞
u∞ tf
u∞
u
u δ
郭煜《工程热力学与传热学 》
粘度μ（Viscosity）
影响速度分布与流态（ Laminar , turbulent flow ） μ越大，分子间约束越强，相同流速不易发展成湍流状态 高粘度流体（oils）多处于层流状态，h较小
体积膨胀系数α（The volume expansion coefficient ）
1 v
v ( t ) p
1
(
t
)p
对自然对流换热有很大影响
Reference temperature
定性温度
影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小
郭煜《工程热力学与传热学 》
几种对流传热过程表面传热系数的数值大致范围
传热过程 自然对流 强制对流
水的相变换热
介质种类 空气 水 气体 高压水蒸气 水 沸腾 蒸汽凝结
5. 换热表面的几何因素（The surface geometric conditions）
换热表面的几何形状，尺寸，相对位置，表面粗糙度等。
对对流换热有显著影响 影响流态，速度分布，温度分布
表面传热系数 h [ W/m2.K ] 1-10 200-1000 20-100 500-35000 1000-1500 2500-35000 5000-25000
说明
就介质而言，水的对流传热比空气强烈。 就对流传热方式而言
• 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
郭煜《工程热力学与传热学 》
常温下：水 cp 4186 kJ /(m3 C)
导热系数λ
空气 cp 1.21 kJ /(m3 C)
换热能力强
影响流体内部的热量传递过程和温度分布 λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈
常温下：水 0.551 W /(m K)
冷却能力强
空气 0.0257 W /(m K)
Ah(t w t f ) q h(tw t f ) ht
若流体被加热： t tw t f 若流体被冷却： t t f tw
流动方向 u∞
tf
u
t
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
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式中： h — 固体表面的平均表面换热系数。W/m2.K （the convection heat transfer coefficient）
工程热力学与传热学
传热学 第十章 对流换热
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第十章 对流换热
内容要求
掌握对流换热问题的机理和影响因素 了解对流换热的数学描述 边界层理论概述与边界层内对流换热微分方程组的简化 外掠等壁温平板层流换热分析解简介 掌握对流换热的实验研究方法，相似原理 各种典型对流换热的基本特点和计算方法
tw — 固体表面的平均温度。 tf — 流体温度。
• 外部绕流（外掠平板，圆管）： tf 为流体的主流温度。
• 内部流动（各种形状槽道内的流动）： tf 为流体的平均温度。
tf
d
外部绕流
管内流动
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4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数
局部对流换热时，局部热流密度：
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2. 流动的状态 —— 层流流动与湍流流动
层流（Laminar flow）
流速缓慢 沿轴线或平行于壁面作规则分层运动 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf
u∞ uq
导热
u∞
u
导热qBiblioteka 0 层流边界层x管内层流流动
Example Oils-- the flow of high-viscosity fluid at
（管内强制对流换热，外掠壁温强制对流换热， 自然对流换热等）
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10-1 对流换热概述
10-1-1 基本概念和计算公式
1. 对流换热（Convection heat transfer）
流体流过另一个物体表面时，对流和导热联合起作用 的热量传递现象。
2. 牛顿冷却公式（Newton’s law of cooling）
层流底层 q
对流 导热
0 层流边界层 过渡区 湍流边界层
x
Example Air-- the flow of low-viscosity fluid at high velocities is typically turbulent.
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3. 流体有无相变
有相变的换热 —— 沸腾换热与凝结换热 流体发生相变时的换热规律及强度和单相流体不同
qx hx (tw t f )x
整个换热物体表面的总对流换热量：
Q A qxdA A hx (tw t f )x dA
平均表面传热系数：
h Q
(tw t f ) A
1 A
A hxdA
对流换热的核心问题
u∞ tf
tw 0
tw-tf=Const
qx twx hx
A
x
x
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10-1-2 对流换热的影响因素
1. 流动的起因 —— 强迫对流与自然对流
强迫对流换热（Forced Flow ） 流体在风机，水泵或其他外部动力作用下产生的流动。
自然对流换热（Natural Flow） 流体在不均匀的体积力作用下产生的流动。
对空气h： 自然对流 h 5 25W /(m2 K ) 强迫对流 h 10 100W /(m2 K )
加热水沸腾，由液态变为气态 蒸气在对流换热中被冷却而凝结
就对流传热方式而言 • 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
郭煜《工程热力学与传热学 》
4. 流体的热物理性质（Physical properties of fluid）
对对流换热的强弱有非常大的影响。
密度和比热容
体积热容 cp ：单位体积流体热容量的大小
low velocities is typically laminar.
郭煜《工程热力学与传热学 》
湍流（Turbulent flow）
流体内部存在强烈脉动和旋涡运动 各部分流体之间迅速混合 热量传递：主要靠对流
湍流边界层 层流底层：导热
湍流核心区：对流
主流区
u∞
u∞ tf
u∞
u
u δ
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粘度μ（Viscosity）
影响速度分布与流态（ Laminar , turbulent flow ） μ越大，分子间约束越强，相同流速不易发展成湍流状态 高粘度流体（oils）多处于层流状态，h较小
体积膨胀系数α（The volume expansion coefficient ）
1 v
v ( t ) p
1
(
t
)p
对自然对流换热有很大影响
Reference temperature
定性温度
影响重力场中因密度差而产生的浮升力大小
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几种对流传热过程表面传热系数的数值大致范围
传热过程 自然对流 强制对流
水的相变换热
介质种类 空气 水 气体 高压水蒸气 水 沸腾 蒸汽凝结
5. 换热表面的几何因素（The surface geometric conditions）
换热表面的几何形状，尺寸，相对位置，表面粗糙度等。
对对流换热有显著影响 影响流态，速度分布，温度分布
表面传热系数 h [ W/m2.K ] 1-10 200-1000 20-100 500-35000 1000-1500 2500-35000 5000-25000
说明
就介质而言，水的对流传热比空气强烈。 就对流传热方式而言
• 有相变的传热比无相变传热强烈。 • 强制对流比自然对流强烈。
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常温下：水 cp 4186 kJ /(m3 C)
导热系数λ
空气 cp 1.21 kJ /(m3 C)
换热能力强
影响流体内部的热量传递过程和温度分布 λ越大，导热热阻越小，对流换热越强烈
常温下：水 0.551 W /(m K)
冷却能力强
空气 0.0257 W /(m K)
Ah(t w t f ) q h(tw t f ) ht
若流体被加热： t tw t f 若流体被冷却： t t f tw
流动方向 u∞
tf
u
t
tw
Φ
wall
平壁上的对流换热
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式中： h — 固体表面的平均表面换热系数。W/m2.K （the convection heat transfer coefficient）