最新 对流换热及其影响因素分析
合集下载
10 对流换热
(a)初始条件，即非稳态问题中初始时刻物理量的
分布（稳态问题不需要这一条件）。
(b)边界条件，即所研究系统边界上的温度(或热
流密度)、速度分布等条件。
(c)几何条件，即换热表面的几何形状、位置以及 表面的粗糙度等。 (d)物理条件，即物体的种类与物性。
量纲分析是获得无量纲量的一种方法。
长处是方法简单，并对还列不出微分方程而只知道
10.2.1.1 物理现象相似的条件
1）必须是同类现象，即现象的物理性质相同，描 述该类现象的关系式有类同的数学表达式和内容。 2）物理现象相似只能发生在几何相似的体系中。 3）2个物理现象相似，意味着用来说明这2个现象 物理性质的一切物理量相似。即在空间相对应的各 点和时间上相对应的瞬时，说明第一个现象的某一
普朗特尔准则 Pr=
=定数 (表征流体物性对换热影响)
10.2.1.3 定性温度和定型尺寸
准则包含有物性参数，而物性参数均随温度变化。 在换热过程中，流场内各处温度不同，物性也不同。 这就要选取一个有代表性的温度来确定物性参数，
并把它当作常数来处理，这个确定物性参数的温度
称为定性温度。
同理，选取的代表换热表面几何特征的尺寸，就称 为定型尺寸。
将式(c)代入式(e)得
(e)
' y ' " y" ' "
习惯上，用l 来表示换热面的特征尺寸
' y ' " y" 则 被表示为 ' "
' l ' " l" (f) ' " l 两个对流换热现象相似，无量纲 必相等
Nu Nu 并称其为 准则， 数越大， 越大对流 换热越强烈，于是Nu 就可作为“相似判据”
分布（稳态问题不需要这一条件）。
(b)边界条件，即所研究系统边界上的温度(或热
流密度)、速度分布等条件。
(c)几何条件，即换热表面的几何形状、位置以及 表面的粗糙度等。 (d)物理条件，即物体的种类与物性。
量纲分析是获得无量纲量的一种方法。
长处是方法简单，并对还列不出微分方程而只知道
10.2.1.1 物理现象相似的条件
1）必须是同类现象，即现象的物理性质相同，描 述该类现象的关系式有类同的数学表达式和内容。 2）物理现象相似只能发生在几何相似的体系中。 3）2个物理现象相似，意味着用来说明这2个现象 物理性质的一切物理量相似。即在空间相对应的各 点和时间上相对应的瞬时，说明第一个现象的某一
普朗特尔准则 Pr=
=定数 (表征流体物性对换热影响)
10.2.1.3 定性温度和定型尺寸
准则包含有物性参数，而物性参数均随温度变化。 在换热过程中，流场内各处温度不同，物性也不同。 这就要选取一个有代表性的温度来确定物性参数，
并把它当作常数来处理，这个确定物性参数的温度
称为定性温度。
同理，选取的代表换热表面几何特征的尺寸，就称 为定型尺寸。
将式(c)代入式(e)得
(e)
' y ' " y" ' "
习惯上，用l 来表示换热面的特征尺寸
' y ' " y" 则 被表示为 ' "
' l ' " l" (f) ' " l 两个对流换热现象相似，无量纲 必相等
Nu Nu 并称其为 准则， 数越大， 越大对流 换热越强烈，于是Nu 就可作为“相似判据”
第6章-对流换热1PPT课件
一、换热微分方程
由牛顿冷却定律：
q w ,xh x(tw-t ) W m 2
由傅里叶定律与牛顿冷却公式：
对流换热过程
hxtw t y tw ,x
微分方程式
W (m 2C ) (62)
-
22
五、流动边界层
层流
过渡流
湍流
u
y
x
xc
层流底层 缓冲层
五、流动边界层
2. 实验测定 若用仪器测出壁面法向
一、牛顿公式
qht QhAt
15 16
只是对流换热系数 h 的一个定义式，它并没 有揭示 h 与影响它的各物理量间的内在关系
本章的目的就是要揭示这种联系，即求解表面换 热系数h的表达式。
6.2 影响对流换热的主要因素
影响对流换热系数 h 的因素有以下 5 方面 流体有无相变 流体流动的起因 换热表面的几何因素 流体的流动状态 流体的物理性质
6.3 对流换热微分方程组
一、能量微分方程
作为一种能量输运过程，对流换热过程必然 遵循能量守恒原理，对流过程中的流体温度场 应是能量守恒原理与对流换热具体的热量输运 形式相结合的表现形式，其数学描述称为能量 守恒微分方程，简称能量方程。
在对流换热过程中： 能量守恒原理 — 热力学第一定律； 热量输运形式 — 导热＋对流。
质量*加速度＝体积力＋压力＋粘滞力
D D u uu u xv u yw u z
（u
uuvu) x y
Fx
px (x2u2
y2u2)
（v
uvvv) x y
Fy
py (x2v2
y2v2)
二、动量守恒微分方程(Navier-Stokes)
稳态下自然对流：
第5章-对流换热
(5) 流体的热物理性质：
热导率
运动粘度
[ W (m C) ]
比热容 密度
c [J (kg C) ]
[ m 2 s]
[kg m3 ]
[1 K ]
2 [ N s m ] 动力粘度
体胀系数
1 v 1 v T p T p
u 0.4m / s l 1.1m
3cm
3cm
(3) 边界层分：
• 层流边界层——速度梯度较均匀地分布于 全层。 • 湍流边界层——在紧贴壁面处，仍有一层 极薄层保持层流状态，称为层流 底层。 • 速度梯度主要集中在层流底层。 (4) 在边界层内，粘滞力与惯性力数量级 相同。
度t∞不相等时，在壁面上方形成的温度发生显著
变化的薄层，常称为热边界层。 称为热边界层
t
的厚度。
• 热边界层以外可视为等温流动区（主流 区）。
边界层换热微分方程组
边界层概念的引入可使换热微分方程组
得以简化:
数量级分析：比较方程中各量或各项的
量级的相对大小；保留量级较大的量或项； 舍去那些量级小的项，方程大大简化
5mm 的薄层中，气
速度梯度是很大的。在 流速度从 0 变到 率高达 3200m / s 。
16m / s ，其法向平均变化
根据牛顿粘性定律，流体的剪应力与 垂直运动方向的速度梯度成正比，即：
u x y
式中： x —— x 向的粘滞见应力； N
—— 动力粘度 kg m s
热边界层
y
u , t
等温流动区
x
温度边界层
t
对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素
对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：1-2-4 对流传热系数关联式一、对流传热系数的影响因素实验表明，影响对流传热系数的因素主要有：1、流体的种类和相变化的情况2、流体的特性：1）流体的导热系数λ；2）粘度μ3）比热容ρc p 、密度ρ：ρc p 代表单位体积流体所具有的热容量。
4）体积膨胀系数β：t V V V ∆-=112β 3、流体的流动状态层流和湍流的传热机理有本质区别：层流时，传热只是依靠分子扩散作用的热传导，故h 就较湍流时为小；湍流时，湍流主体的传热为涡流作用的热对流，但壁面附近层流内层中为热传导，涡流使得层流内层的厚度减薄，温度梯度增大，故h就增大。
湍流时的对流系数较大。
4、流体流动的原因自然对流和强制对流的流动原因不同。
强制对流：设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点的密度，则流体因密度差而产生的升力为(ρ1-ρ2)g。
若流体的体积膨胀系数为β，单位为1/℃，并以Δt代表温度差(t2-t1)，则可得ρ1=ρ2(１＋βΔt）于是每单位体积的流体所产生的升力为：（ρ1-ρ2）g=[ρ2（１＋βΔt）－ρ2]g= ρ2gβΔt 强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体的流动。
强制对流的对流系数大得多。
5、传热面的形状、位置和大小传热管、板、管束等不同的传热面的形状;管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等，都影响h 值。
表示传热面的形状、位置和大小的尺寸称为特征尺寸，用l 表示所以，h 可以用下式表示:h=f （μ，λ，c p ，ρ，u ，ρgβΔt ，l ） （1）二、因次分析对流体无相变化的对流传热进行因次分析，得到的准数关系式为:c b p a tl g c u l K l )()()(223μρβλμμρλα∆= （2）式（2）中各准数名称、符号和意义列于下表中。
对流换热
h (流体内部和流体与壁面间导热热阻小) 、c h (单位体积流体能携带更多能量) h (有碍流体流动、不利于热对流)
自然对流换热增强
一般把确定物性参数大小的温度，称为定性温度。
换热表面的几何因素
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 把影响对流换热的主要几何尺寸称为 特征长度或定型尺寸。
第十四章 对流换热
对流换热的基本概念 流体无相变时的对流换热 流体有相变时的对流换热
第一节
对流换热的基本概念
一、热对流与对流换热 热对流：流体中，温度不同的各部分之间 发生相对位移时所引起的热量传递过程。 对流换热：流动的流体与固体壁面直接接 触时所发生的热量传递。
对流换热的特点：
导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运 动，也必须有温差。 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。
h湍流 h层流 , h相变 h单相
流体的流动状态
层流时流体的对流换热主要靠导热; 紊流时的对流换热主要靠流体的掺混作 用，主要热阻是层流底层的导热热阻， 但层流底层的导热热阻比层流时的导热 热阻小得多。 对于同种流体，紊流时的对流换热强于 层流时的对流换热。
流体的热物理性质
热导率 密度 比热容c 动力粘度 运动粘度 体积膨胀系数
管内紊流换热的三个定性量
1.定性温度： t 2 t f 和 t f 为管道进出口截面的平均温度。 2.特征长度： 圆管取内径d，非圆管为当量直径de 3.特征流速： 管内平均流速
f
t 'f t f
vl Re
普朗特数：它反映了流体的动量扩散能力与其能 量扩散能力的对比关系（已定特征数）
空气的自然对流换热系数
空气的自然对流换热系数1. 前言空气的自然对流换热系数是指风或自然对流使物体与周围环境之间发生换热的系数。
研究自然对流换热系数对于建筑、工业和环境等领域都具有重要意义。
本文将对空气的自然对流换热系数的概念、影响因素、计算方法及应用进行详细介绍。
2. 概念空气的自然对流换热系数是指在自然状态下，在物体表面的温度差引起自然对流，导致物体与周围环境之间发生换热的系数，记为h。
它的单位是瓦特/平方米•开尔文（W/(m²•K)）。
3. 影响因素空气的自然对流换热系数受多种因素影响，主要有以下几个方面：3.1 波动数波动数是指物体表面所受的流体单元数，它是影响自然对流换热系数的关键因素之一。
波动数越大，自然对流换热系数越高。
3.2 物体的尺寸和形状在考虑物体的尺寸和形状时，应特别关注物体的曲率，因为曲率会影响自然对流的速度和强度，从而影响自然对流换热系数。
3.3 物体表面的粗糙度物体表面的粗糙度也会对自然对流换热系数产生影响。
粗糙表面可以增加传热面积，从而增加自然对流换热系数。
相反，光滑表面会降低自然对流换热系数。
3.4 温度差物体表面与周围环境的温度差也会影响自然对流换热系数。
温度差越大，自然对流换热系数越高。
3.5 环境温度环境温度也会对自然对流换热系数产生影响。
在低温环境下，空气粘度增加，导致自然对流速度减缓，从而降低自然对流换热系数。
4. 计算方法自然对流换热系数的计算方法一般包括经验公式和数值模拟两种。
4.1 经验公式经验公式是通过实验和经验得到的经验公式，适用于特定条件下的自然对流换热系数计算。
目前常用的经验公式有:Nusselt数的计算公式：Nu = 0.60 + 0.387Ra^(1/6) 当Pr>0.6时Nu = 0.54 + 0.0296Ra^(1/3) 当Pr<=0.6时其中，Ra为雷诺数，Pr为普朗特数。
自然对流换热系数的计算公式：h = Nu*k/L其中，k为空气的热传导系数，L为特征长度。
第5章对流换热分析2讲
和热量扩散的深度
t Pr 1 3
( 层 流 、 0.6 Pr 50 )
第五章 对流换热 （李琼主讲） 20
δt<<L； 边界层内温度梯度变化显著，用能量微分方程描述； 边界层外温度梯度约为零，传热忽略不计。
因为膝盖处的热边界层很薄(相当 于外掠物体的前驻点),换热能力较 强，该处与空气的热交换量较大。 摩托车手的膝盖需要特别的保温, 你知道为什么吗?
u u u p 2u 2u （ u v ) X ( 2 2 ) x y x x y v v v p 2v 2v （ u v ) Y ( 2 2 ) x y y x y
2 2t t t t t c p u v 2 2 x y y x
这就是关于udydudy第五章对流换热李琼主讲39边界层积分方程组求解在常物性情况下动量积分方程可以独立求解即先求出然后求解能量积分方程获得dycy第五章对流换热李琼主讲40dydure64dydure323第五章对流换热李琼主讲41在工程中场使用局部切应力与流体动压头之比这个无量纲量并称之为范宁摩擦系数简称摩擦系数re646re292平均摩擦系数
第五章 对流换热 （李琼主讲） 21
三 数量级分析与边界层换热微分方程
1.数量级分析：比较方程中各量或各项的量级的相对大小；保 留量级较大的量或项；舍去那些量级小的项，方程大大简化 例：二维、稳态、强制对流、层流、忽略重力
u ~ 0(1); 5个基本量的数量级： 主流速度：
温度：t ~ 0(1); 边界层厚度： 壁面特征长度：l ~ 0(1);
边界层概念也可以用于分析其他情况下的流动和换热： 如：流体在管内受迫流动、流体外掠圆管流动、流体 在竖直壁面上的自然对流等
t Pr 1 3
( 层 流 、 0.6 Pr 50 )
第五章 对流换热 （李琼主讲） 20
δt<<L； 边界层内温度梯度变化显著，用能量微分方程描述； 边界层外温度梯度约为零，传热忽略不计。
因为膝盖处的热边界层很薄(相当 于外掠物体的前驻点),换热能力较 强，该处与空气的热交换量较大。 摩托车手的膝盖需要特别的保温, 你知道为什么吗?
u u u p 2u 2u （ u v ) X ( 2 2 ) x y x x y v v v p 2v 2v （ u v ) Y ( 2 2 ) x y y x y
2 2t t t t t c p u v 2 2 x y y x
这就是关于udydudy第五章对流换热李琼主讲39边界层积分方程组求解在常物性情况下动量积分方程可以独立求解即先求出然后求解能量积分方程获得dycy第五章对流换热李琼主讲40dydure64dydure323第五章对流换热李琼主讲41在工程中场使用局部切应力与流体动压头之比这个无量纲量并称之为范宁摩擦系数简称摩擦系数re646re292平均摩擦系数
第五章 对流换热 （李琼主讲） 21
三 数量级分析与边界层换热微分方程
1.数量级分析：比较方程中各量或各项的量级的相对大小；保 留量级较大的量或项；舍去那些量级小的项，方程大大简化 例：二维、稳态、强制对流、层流、忽略重力
u ~ 0(1); 5个基本量的数量级： 主流速度：
温度：t ~ 0(1); 边界层厚度： 壁面特征长度：l ~ 0(1);
边界层概念也可以用于分析其他情况下的流动和换热： 如：流体在管内受迫流动、流体外掠圆管流动、流体 在竖直壁面上的自然对流等
第11章 对流换热
导热问题----导热微分方程 导热问题 导热微分方程 问题----微分方程组 求h问题 微分方程组 问题 为简化分析，做如下假设： 为简化分析，做如下假设： 流体为连续性介质， 流体为连续性介质， 流体为常物性， 流体为常物性， 服从牛顿 粘性定律 不可压缩， 不可压缩， 流体为牛顿流体， 流体为牛顿流体， 无内热源， 无内热源，忽略粘性耗 散产生的耗散热， 散产生的耗散热， 以二维对流换热为例。 以二维对流换热为例。
地面上按自然对流设计的换热装置， 地面上按自然对流设计的换热装置， 在太空中还能正常工作吗？ 在太空中还能正常工作吗？ 因为自然对流换热只有在重力的情况下 才能进行，到了太空中， 才能进行，到了太空中，完全处于失重 状态，因而该设备无法正常工作。 状态，因而该设备无法正常工作。
11.1.2 对流换热的影响因素
11.2.1对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热
1）基于质量守恒定律的连续性微分方程 ∂u ∂v + =0 ∂x ∂y 基于动量定律的动量微分方程, 方向 2）基于动量定律的动量微分方程,x方向
∂u ∂u ∂u ∂p ∂u ∂u ρ( + u + v ) = Fx − +η( 2 + 2 ) ∂τ ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y
在相似理论指导下， 在相似理论指导下，将众多影响因素归并为几 个准则数，实验找出它们的关系。 个准则数，实验找出它们的关系。 目前还不能解决 理论分析法 比较复杂的实际 问题
N u = Rem Fon 如：
中含有h 其中 N u中含有
11.2
对流换热过程的数学描述
11.2.1对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热 1.对流换热微分方程组 对流
地面上按自然对流设计的换热装置， 地面上按自然对流设计的换热装置， 在太空中还能正常工作吗？ 在太空中还能正常工作吗？ 因为自然对流换热只有在重力的情况下 才能进行，到了太空中， 才能进行，到了太空中，完全处于失重 状态，因而该设备无法正常工作。 状态，因而该设备无法正常工作。
11.1.2 对流换热的影响因素
11.2.1对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热
1）基于质量守恒定律的连续性微分方程 ∂u ∂v + =0 ∂x ∂y 基于动量定律的动量微分方程, 方向 2）基于动量定律的动量微分方程,x方向
∂u ∂u ∂u ∂p ∂u ∂u ρ( + u + v ) = Fx − +η( 2 + 2 ) ∂τ ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y
在相似理论指导下， 在相似理论指导下，将众多影响因素归并为几 个准则数，实验找出它们的关系。 个准则数，实验找出它们的关系。 目前还不能解决 理论分析法 比较复杂的实际 问题
N u = Rem Fon 如：
中含有h 其中 N u中含有
11.2
对流换热过程的数学描述
11.2.1对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热微分方程组及单值性条件 对流换热 1.对流换热微分方程组 对流
传热学对流换热
传热学 / 对流换热
二、连续性微分方程（质量守恒方程）
依据质量守恒定律，在单位时间内，净流入微 元体的质量等于微元体内的质量增量。
（2）层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较弱；
（有热边界层和层流速度边界层） （3）湍流状态时，对流很强，导热可忽略， dt/dy很小；在 壁面附近的层流底层，此处主要依靠导热， dt/dy 较 大。（有热边界层、湍流速度边界层及层流底层）
传热学 / 对流换热
（四）热边界层厚度与热阻的关系
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
传热学 / 对流换热
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。 自然界不存在单一的热对流，必然同时伴随着热传导。
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。
u 0.99u
传热学 / 对流换热 3、速度边界层定义 把紧靠壁面、速度变化比较剧烈的流体层叫做速度 （流动）边界层。
由于各层流体之间的速度不同，相互间就存在着相对滑动， 即流体发生了剪切变形，于是各层之间产生出一种抵抗变形 的力，称为内摩擦力或粘性力。
传热学 / 对流换热
2、牛顿内摩擦定律
流体运动所产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速 度梯度成正比，与接触面的面积成正比，并与流体的物理 性质有关。 du du f A dy dy
对流换热
紊流 层流
紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。
3.流体有无相变： 相变 单相 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) 4.换热表面的几何因素：
对流换热
一、对流换热
1、概念： 流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。
y
tf u
u
q
tw
x
•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。
2、机理： 包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程
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）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动； 也必须有温差 （3）由于流体的黏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流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
强制对流
圆管内强制对流换热 内部流动
其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
对 流 换 热
无 相 变
外部流动 大空间 自然对流 混合对流 大空间沸腾
外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热
有限空间
有 相 变
沸腾换热 凝结换热
管内沸腾 管内凝结 管外凝结
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t
w
W/m2
q t
t = t w t f
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t Q 1 F
对流换热的热阻为1/ F ，单位为K/W。 单位面积对流换热热阻为 1 ，单位为(m2· K/W)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一节 对流换热及其影响因素分析
但流体的受迫流动要依靠泵或风机等消耗机械功来获得，流速越高 或流体粘度越大，需要克服的流动阻力越大。所以，工程上对高粘 性油类的加热或冷却，大多采用层流或接近于层流时的换热过程， 即使是低粘性的空气，由于密度小，管道口径小于10mm时，为了不 使流速过高，也常采用雷诺数较低的湍流，并不片面利用速度越高 表面传热系数越大的特性。 3.流体有无相变发生
第一节 对流换热及其影响因素分析
流体的流动状态是指流体流动的形态和结构。由流体力学理论可知， 流体的流动状态有层流和湍流之分。流体流过固体壁面时，层流边 界层与湍流边界层具有不同的换热特征和换热强度，因此研究对流 换热过程时，区分流体的流动状态极为重要。在层流边界层中，除 了由于分子可能从某一流层运动到相邻的另一流层中去而传递动量 以外，主要是依靠流层间的导热来传递热量的。在湍流边界层中， 由于湍流支层中还同时存在流体横向脉动的对流方式，使流体沿壁 面法线方向产生热对流作用而增强热传递，因此只有层流底层中是 以导热方式来传递热量的。在对流换热过程中，如果保持其他条件 相同，则流速高时的湍流与流速低时的层流相比，湍流的表面传热 系数α要比层流的表面传热系数α大好几倍。
第一节 对流换热及其影响因素分析
相变是指参与换热的液体因受热而发生气化现象，或参与换热的气 体（如水蒸气）因冷却放热而凝结的情况。这两种情况下的换热分 别称为沸腾换热和凝结换热，或统称为相变换热。流体有相变的对 流换热过程，具有一些新的特点，它与无相变的对流换热过程有很 大的差别。流体发生相变时，流体温度基本保持相应压力下的饱和 温度不变。这时流体与壁面间的换热量等于流体吸收或放出的潜热， 而气液两相的流动情况也不同于单相流动。所以有相变时与无相变 时的换热条件是不一样的。一般地说，对于同一流体，有相变时比 无相变时的换热程度要大得多。这是因为相态改变时物质的潜热参 与了换热过程，同时气泡或凝结水滴的运动也破坏了层流或层流底 层的运动性质，大大增强了流动的扰动性，使壁面法线方向出现了 强烈的热对流作用。
第一节 对流换热及其影响因素分析
4.流体的物理性质
第一节 对流换热及其影响因素分析
流体的物理性质对换热过程的影响较大。例如，在温差和速度完全 相同的水和空气中，物体被加热或冷却的快慢相差很大。这主要是 因为水和空气的导热系数λ相差悬殊，以致在边界层中的导热热阻不 同，影响了表面传热系数α。但不能因此就简单地认为α与λ成正比， 因为包含λ的流体的导温系数a（a=λ/ρ）会影响流体在边界层的温度 分布，a越大，紧贴壁面的流体温度梯度会减少，减少的程度视流速 的大小而定。流体体积热容ρcp越高，a越小，热边界层中的温度梯 度越大，换热越强。流体的粘度越大，则使a减小，这是因为壁面对 流体流动的滞止作用将由于流体的粘性而更深入地传播到流体内部， 使层流底层加厚，因而减小了温度梯度。与此同时，因为流体的密 度ρ是决定自然对流强度的因素之一，势必对换热的强弱也要产生影 响。
第一节 对流换热及其影响因素分析
根据流体流动产生的原因的不同，流体的流动可分为受迫流动和自 由流动两类。流体的受迫流动是由机械力（如泵或风机）的作用所 引起的，所以又称为强迫流动。它可以是没有对流换热的等温流动， 也可以是有对流换热的非等温流动，其流动速度决定于外力所产生 的压差、流体的性质和流道的阻力等。流体的自由流动往往是由于 固体表面对流体局部加热或冷却引起的，例如利用暖气散热片取暖 和各种热工设备的外壳对外散热等。此时，受热的那部分流体因密 度减小而上升，附近密度较大的冷流体就流过来补充，流动的原因 是流体的密度差产生的所谓浮升力，所以自由流动又称为自然对流。 自由流动的速度除取决于流动受热或冷却的强度外，还与流体性质、 空间大小和形状等有关，与换热壁面的位置有关。
第十四章 对 流 换 热
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
对流换热及其影响因素分析 求解表面传热系数
第一节 对流换热及其影响因素分析
一、对流换热和牛顿冷却公式 1.对流换热的概念 热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对 位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发 生在流体中，而且由于流体分子同时在进行着不规则的热运动，因 而热对流必然伴随有热传导现象。工程上主要研究的是流体流经固 体壁面时流体与固体壁面之间的热量传递过程，称之为对流换热。 在对流换热过程中，不仅有离壁面较远处流体的对流作用，同时还 有紧贴壁面薄层流体的导热作用。因此，对流换热实际上是一种由 热对流和热传导共同作用的复合换热形式。 2.牛顿冷却公式
第一节 对流换热及其影响因素分析
对流换热过程的热量传递是靠两种作用完成的，一是对流，流体质 点不断运动和混合，将热量由一处带到另一处，此为对流传递作用； 同时，由于流体与壁面以及流体各处存在温差，热量也必然会以导 热的方式传递，而且温度梯度越大的地方，导热作用越明显。显然， 一切支配这两种作用的因素和规律，诸如流动状态、流体种类和物 性、壁面形状及其几何参数等都会影响换热过程，可见对流换热过 程是一个比较复杂的物理现象。表面传热系数α从量上综合反映了对 流换热的强度。以下就几方面的影响因素作进一步的叙述。 1.流体流动产生的原因
第一节 对流换热及其影响因素分析
二、边界层的概念 1.速度边界层
第一节 对流换热及其影响因素分析
图14-1 边界层中的速度分布
第一节 对流换热及其影响因素分析
2.热边界层
图14-2 流过平板时边界层的形成和发展
第一节 对流换热及其影响因素分析
图14-3 热边界层示意图
三、影响表面传热系数的因素
第一节 对流换热及其影响因素分析
受迫流动与自由流动具有不同的换热规律，由于机械力推动下的流 体流速可以大大超过自然对流的流速，所以表面传热系数的值也会 比自然对流时高。例如，夏天开电风扇，人会感到凉爽，这是因为 风扇引起的强迫对流增大了空气与人体表面的换热系数。实际上， 在有对流换热的情况下，流体受迫流动的同时，也会有自然对流存 在；不过，受迫流动的速度越大，自然对流的影响就越小，甚至可 忽略不计。 2.流体的流动状态