第二章流体静力学

第九章 对流传热Chapter 9 Heat Convection

9.1 对流传热的基本概念及传热方程Basic Concept for Convection

一、特点(Features)对流传热是研究有流体(气、液及其混合物)存在 的传热物质体系中，通过流体的流动(质量团的宏 观迁移)产生的热量传热现象及热量传输速率和温 度分布的定量分析。 在工程中常见到的也是具有重要的工程意义的对流 传热情况就是某种流动流体与固体壁之间的界面对 换热。

我们在绪言中已讲到流体与流体器壁之间的对流换热与许多因素有 关，除了与固体和流体的自身的导热能力等因素之外，更重要的还 与固体器壁前沿流体的流动强度(速度大小)和流动方式(流动方 向、涡流密度，尤其是层流还是紊流)密切相关。而决定或者说影 响固体器壁面前沿流体流动强度和流动状态在很大程度上取决于引 起流体流动的原因或驱动力。 因此，工程上根据引起流体流动的原因或流动驱动力不同，通常将 流动流体与固体器壁之间的对流换热分为强制对流换热和自然对流 换热 。

强制对流换热(Heat Transfer with Forced Convection):流动靠外力，如水泵、风机等来驱动 特点：流动速度大、常常是紊流→对流换热能力强、h↑

自然对流换热(Heat Transfer with Natural Convection) : 由于温度/浓度分布不均匀→ρ(T, CL )不均匀，在重力场下，会上浮或下沉→流动 特点：流动强度直接与 T/ n, c/ n有关，一般强度不大，通常 为层流，对流换热相对弱些，h↓

无论是强制对流换热，还是自然对流换热，流动流体与固体壁之 间的对流换热强度，均由牛顿换热来计算，即：

q = h (T∞ - Ts)

(9-2)

式中： q—对流换热热流密度(通量：W/㎡) h—对流换热系数(W/㎡·℃) T∞,Ts—流体和固体表面温度(℃)

换热系数h 的影响因素Factors Influencing Heat Transfer Coefficient 1、流体的流速ω: 流速↑层流底尽δc变薄，热阻变小，导热增强，h↑ ω↑流体内部相对运动加剧，h↑ 在强制对流时，加强流速，耗更多能量。应选取 适当流速。

2、流体的物性量 λ↑,热阻 δ / λ 小↓,h↑ h水= 20h空气 ρc↑载热能力强，热交换强，h↑ η↑滞止作用大，δc厚 ，减弱对流，h↓ 需要综合考虑：如水，粘性大，但ρc、λ也大。因 此比空气(粘性小)的换热系数大的多。

3、壁面几何尺寸、形状、位置： 垂直放置h↑,水平放置h↓(顺流动方向放 置)

二、热边界层概念Thermal Boundary Layer如图所示： 当紊流整体速度为V∞的流体流过一平板时，除产生一速度边 界层δ(x)外，类似的：当紊流流体温度T∞ 与平板表面温度Ts 不相等时，由于传热还会产生温度边界

层δ T(x) 。 解释：紊流温度 T(x)> Ts ,接平板后，接触平板处，传热T 下降，随流动 x 增加，温度影响层增大，δ(x)增大。

温度边界层的厚度 δ T 是如下定义的: 当流体(其温度分布不均匀)温度为整体温度 T∞ 的99% 时，即： T (x, y, z) = 0.99T∞时所对应的距离平板的高度(δ T =y),定义为温度 边界层厚度。 由于随着流体沿平板的流动距离 x 增加，流体与平板接触时间加 长，增加了流体与平板之间的传热量。所以受平板较低温度的影 响范围增加。即δT(x)随 x 增加，从而δT 增加。 可见为确定δT(x)和 h。均需要知道沿平板流动流体中的温度分布T (x, y)。(稳态的)

将热边界层三个区间简化成一层流区和一紊流区，在 层流底层只有导热。故：

λ (Ts T∞ ) A Q= δ T`

Q = h(Ts T∞ ) A

λ h= ` δT` ( δ T 有效热边界层厚度)

三、对流换热系数h的数学计算式 Calculation of Heat Transfer Coefficient(9-2)是计算某一对流换热条件下，传热热通量 q 的基本计算式。可 见(9-2)式的数学形式是十分简单的，但通过前面对固体壁与流动流体 对流换热机理方面分析知道，这一过程是十分复杂的 ： 固相中的导热 流体中的导热 流体的流动强度和流动状态 固体表面几何状况

因此，尽管(9-2)式的数学形式简单，但把复杂的影响 因素都归结到对流换热系数 h 中，即： h = f( v ,流动状态, λs, λ,η,ρ,cp,界面条件等) 通常影响 h 的因素是十分复杂的。但另一方面，要想 应用(9-2)式准确计算 q ,又需要知道某具体对流传热 条件下的 h 的精确值。