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1、1.名名称称：对对流流换换热热即即对对流流传传热热，又又称称对对流流热热交交换换、对对流流给热。给热。2.含含义义：流流体体流流过过表表面面时时与与该该表表面面之之间间所所发发生生的的热热量量传传输过程。输过程。3.前提条件：流体的流动。前提条件：流体的流动。4.组成：传导热量传输（取决于温度梯度）组成：传导热量传输（取决于温度梯度）对流热量传输对流热量传输第一节第一节 对流换热对流换热第1页/共50页10-1 对流换热概述1 对流换热的定义和性质对流换热的定义和性质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。对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却；3)电 风扇 对流换热
2、与热对流不同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式第2页/共50页(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2 对流换热的特点对流换热的特点3 对流换热的基本计算式牛顿冷却式:第3页/共50页4 表面传热系数（对流换热系数）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如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题研究对流换热的方法：（1）分析法 （2）实验法 （3）比拟法 （4）数值法第4页/共50页5 对流换热的影响因素对流换
3、热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质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 第5页/共50页(2)流动状态(3)流体有无相变层流：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（紊流）（Laminar flow）（Turbulent flow）单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Single phase he
4、at transfer）（Phase change）（Condensation）（Boiling）第6页/共50页(4)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、管束第7页/共50页(5)流体的热物理性质：热导率密度比热容动力粘度运动粘度体胀系数第8页/共50页综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：第9页/共50页对流换热分类小结第10页/共50页7 对流换热过程微分方程式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
5、导热方式传递根据傅里叶定律：第11页/共50页根据傅里叶定律：根据牛顿冷却公式：?由傅里叶定律与牛顿冷却公式：对流换热过程微分方程式第12页/共50页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换热微分方程组确定：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程对流换热过程微分方程式hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度第13页/共50页10-2 对流换热问题的数学描述 b)流体为不可压缩的牛顿型流体为便于分析，只限于分析二维对流换热 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
6、体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连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3)需要4个方程:a)流体为连续性介质假设：第14页/共50页1 质量守恒方程质量守恒方程(连续性方程连续性方程)M 为质量流量 kg/s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 的微元体单位时间内、沿x轴方向、经x表面流入微元体的质量单位时间内、沿x轴方向、经x+dx表面流出微元体的质量单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：第15页/共50页第16页/共50页单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量：单位时间内微元体内流体质量的
7、变化:微元体内流体质量守恒：流入微元体的净质量=微元体内流体质量的变化(单位时间内)第17页/共50页二维连续性方程三维连续性方程对于二维、稳态流动、密度为常数时：第18页/共50页2 动量守恒方程牛顿第二运动定律: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动量微分方程式描述流体速度场作用力=质量 加速度（F=ma）作用力：体积力、表面力体积力:重力、离心力、电磁力法向应力 中包括了压力 p 和法向粘性应力 ii压力 p 和法向粘性应力 ii的区别：a)无论流体流动与否，p 都存在；而 ii只存在于流动时b)同一点处各方向的 p 都相同；而 ii与表面方向有关第19页/共50页动量
8、微分方程 Navier-Stokes方程（N-S方程）(1)惯性项（ma）；(2)体积力；(3)压强梯度；(4)粘滞力对于稳态流动：只有重力场时：第20页/共50页3 能量守恒方程微元体（见图）的能量守恒：描述流体温度场导入与导出的净热量+热对流传递的净热量+内热源发热量 =总能量的增量+对外作膨胀功Q=E+WW 体积力(重力)作的功、表面力作的功假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）流体不可压缩（4）无化学反应等内热源 UK=0Q内热源=0（3）一般工程问题流速低 W0第21页/共50页Q导热+Q对流=U热力学能 单位时间内、沿 x 方向热对流传递到微元体的净热量：单位时间内、
9、沿 y 方向热对流传递到微元体的净热量：导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程第22页/共50页能量守恒方程第23页/共50页对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可 压缩牛顿流体)第24页/共50页前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：计算当地对流换热系数计算当地对流换热系数4个方程，个方程，4个未知量个未知量 可求得速度场可求得速度场(u,v)和温和温度场度场(t)以及压力场以及压力场(p),既适用于层流，也适用于既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）紊流（瞬时值）第25页/共50页4 表面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）
10、：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：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 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 用相似理论指导第26页/共50页5 对流换热过程的单值性条件单值性条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界完整数学描述：对流换热微分方程组+单值性条件(1)几何条件平板、圆管；竖直圆管、水平圆管；长度、直径等说明对流换热过程中的几何形
11、状和大小(2)物理条件如：物性参数 、c 和 的数值，是否随温 度和压力变化；有无内热源、大小和分布说明对流换热过程的物理特征(3)时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件 与时间无关说明在时间上对流换热过程的特点第27页/共50页(4)边界条件说明对流换热过程的边界特点边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件a 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b 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第28页/共50页试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题:(1)变量太多1 1 问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出A 实验中应测哪些量（是否所有的物理量都
12、测）B 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？相似原理将回答上述三个问题第三节对流换热的准数方程式第29页/共50页2相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：研究研究研究研究相似物理现象相似物理现象之间的关系，之间的关系，之间的关系，之间的关系，(1)(1)物理现象相似：物理现象相似：物理现象相似：物理现象相似：对于对于同类同类的物理现象的物理现象，在相应的时刻与相，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例物理量一一对应成比例。(2)(2)同类物理现象：同类物理现象：同类物理现象：同类物理现象：用用相同
13、形式相同形式并具有并具有相同内容相同内容的微分方程式的微分方程式所描写的现象。所描写的现象。3 物理现象相似的特性物理现象相似的特性(1)(1)同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；(2)(2)各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：流换热特征数：流换热特征数：流换热特征数：特征数方程：无量特征数方程：无量纲量之间的函数关纲量之间的函数关系系第30页/共50页4 物理现象相似的条件
14、物理现象相似的条件同名的已定特征数相等同名的已定特征数相等单值性条件相似：单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件初始条件、边界条件、几何条件、物理条件实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性解决了实验中测量哪些物理量的问题按特征数特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？因此，我们需要知道某一物理现象涉及哪些无量纲数？它们之间的函数关系如何？它们之间的函数关系如何？这就是我们下一步的任务这就是我们下一步的任务可以在相似原理的指导下采用模化试验 解决了实物试验很困难或太昂贵的情
15、况下，如何进行试验的问题第31页/共50页5 5 5 5 无量纲量的获得：无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法相似分析法和量纲分析法(1)相似分析法：相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。以左图的对流换热为例，以左图的对流换热为例，现象现象1 1：现象现象2 2：数学描述：数学描述：第32页/共50页建立相似倍数：建立相似倍数：相似倍数间的关系：相似倍数间的关系：第33
16、页/共50页获得无量纲量及其关系：获得无量纲量及其关系：上式证明了上式证明了“同名特征数对应相等同名特征数对应相等”的的物理现象相似物理现象相似的特的特性性类似地：通过动量微分方程可得：类似地：通过动量微分方程可得：能量微分方程能量微分方程：贝克来数第34页/共50页对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数新的无量纲数格拉晓夫数格拉晓夫数式中：式中：流体的体积膨胀系数流体的体积膨胀系数 K K-1-1 Gr Gr 表征流体表征流体浮生力浮生力与与粘性力粘性力的比值的比值 (2)(2)量纲分析法：量纲分析法：在在已知相关物理量已知相
17、关物理量的前提下，采用的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。量纲分析获得无量纲量。第35页/共50页a 基本依据：基本依据：定理，定理，即一个表示即一个表示n个物理量间关系的个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换为包含量纲一致的方程式，一定可以转换为包含 n-r 个独立个独立的无量纲物理量群间的关系。的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。指基本量纲的数目。b 优点优点:(a)方法简单；方法简单；(b)在不知道在不知道微分方程微分方程的情况的情况下，仍然可以获得无量纲量下，仍然可以获得无量纲量c 例题：例题：以圆管内单相强制对流换热为例以圆管内单相强制对流换热为例 (a)(a)确
18、定相关的物理量确定相关的物理量 (b)b)确定基本量纲确定基本量纲 r r 第36页/共50页国际单位制中的国际单位制中的7 7个基本量：个基本量：长度长度mm，质量，质量kgkg，时间，时间ss，电流，电流AA，温度，温度KK，物质的量，物质的量molmol，发光强度，发光强度cdcd因此，上面涉及了因此，上面涉及了4 4个基本量纲：时间个基本量纲：时间TT，长度，长度LL，质量，质量MM，温度，温度 r=4r=4第37页/共50页 n r=3，即应该有三个无量纲量，因此，我们，即应该有三个无量纲量，因此，我们必须选定必须选定4个基本物理量，以与其它量组成三个无量个基本物理量，以与其它量组成
19、三个无量纲量。我们选纲量。我们选u,d,为基本物理量为基本物理量(c)(c)组成三个无量纲量组成三个无量纲量 (d)(d)求解待定指数，以求解待定指数，以 1 1 为例为例第38页/共50页第39页/共50页同理：同理：于是有：于是有：单相、强制对流第40页/共50页同理，对于其他情况：自然对流换热：混合对流换热：Nu 待定特征数（含有待求的 h）ReRe，PrPr，Gr Gr 已定特征数按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理的问题强制对流:第41页/共50页6 6 6 6 常见无量纲常见无量纲(准则数准则数)数的物理意义及表达式数的物理意义及表达式第42页/共5
20、0页傅立叶准数：傅立叶准数：Fo=a/l2=单位体积物体的导热速率单位体积物体的导热速率/单位体积物体的蓄热速率单位体积物体的蓄热速率 Fo表示温度场随时间变化的不稳定传热的准数表示温度场随时间变化的不稳定传热的准数。分子是导入热量，分子是导入热量，分母是热焓变化，分母是热焓变化，Fo越大温度场越趋于稳定，可理解为相对稳定度，越大温度场越趋于稳定，可理解为相对稳定度，它是不稳定导热中的一个重要准数。它是不稳定导热中的一个重要准数。贝克莱准数：贝克莱准数：Pel/a=流体带入的热量流体带入的热量/流体的导热量流体的导热量 Pe表明温度场在空间分布的准数。表明温度场在空间分布的准数。Pe越大说明进
21、入系统的热量大，越大说明进入系统的热量大，导出的热量少则温度分布越均匀，因为导出的热量少则温度分布越均匀，因为Pe=Re Pr，Pe大，表示大，表示Re 大，流体的紊流程度大，温度就趋于均匀。大，流体的紊流程度大，温度就趋于均匀。几个比较重要的准数：几个比较重要的准数：第43页/共50页努赛尔准数：努赛尔准数：Nul=导热热阻导热热阻/对流热阻对流热阻 Nu表示对流换热的强烈程度。Nu说明导热热阻大而对流热阻小。说明导热热阻大而对流热阻小。由于由于Nu中包括有对流换热系数，它是被决定准数，在对流换热中最中包括有对流换热系数，它是被决定准数，在对流换热中最 为重要。为重要。St是是派派生生准准数
22、数：St=Nu/Re Pr，它它表表示示对对流流换换热热量量与与流流体体带带入入系系统统总总热量之比，热量之比，St越大对流换热也越强烈。越大对流换热也越强烈。Pr是物性准数，是流体物性的无因次组合。是物性准数，是流体物性的无因次组合。Pr=/a表示流体动量传输能力与热量传输能力之比。表示流体动量传输能力与热量传输能力之比。第44页/共50页7 7 7 7 实验数据如何整理与处理（整理成什么样函数关系）特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：式中，c、n、m 等需由实验数据确定，通
23、常由图解法和最小二乘法确定第45页/共50页实验数据很多时，最好的方法是用最小二乘法由计算机确定各常量特征数关联式与实验数据的偏差用百分数表示幂函数在对数坐标图上是直线第46页/共50页（1 1）实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）（2 2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）（3 3）实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？回答了关于试验的三大问题：回答了关于试验的三大问题：所涉及到的一些概念、性质和判断方法：所涉及到的一些概念、性质和判断方法：物理现象相似、同类物理现象、物理现象相似的特性、物理现象相似的条件、已定准则数、待定准则数、定性温度、特征长度和特征速度 无量纲量的获得
24、：无量纲量的获得：相似分析法和相似分析法和量纲分析法量纲分析法第47页/共50页自然对流换热：混合对流换热：强制对流:常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义物理意义模化试验应遵循的准则数方程模化试验应遵循的准则数方程试验数据的整理形式：试验数据的整理形式：(4)管内紊流换热的经验公式 Nu=0.023Re0.8Prf0.4 该公式的适用范围见书137页。例子例子:见例子见例子10-1第48页/共50页例例：一个优秀的马拉松长跑运动员可以在2.5h内跑完全程（41842.8m）。为了估计他在跑步过程中的散热损失，可以做这样简化：把人体看成高1.75m，直径为0.35m的圆柱体，皮肤温度为柱体表面问题，取为31；空气是静止的，温度为15，不计柱体两端面的散热，试据此估算一个马拉松长跑运动员跑完全程后的散热量（不计出汗散热部分）。（注，定性温度23时，空气的物性=0.0261w/m，v=15.3410-6m2/s，Pr=0.702，）解：平均速度定性温度tm=(31+15)/2=23，空气的物性为：=0.0261w/m，v=15.3410-6m2/sPr=0.702所以Q=Aht=3.14160.351.752216=677.3W第49页/共50页感谢您的观看！第50页/共50页