第十章對流換熱一、對流換熱定義及基本公式定義：流動的流體和靜止的固體壁面直接接觸時所發生的傳熱現象稱為對流換熱。基本公式：牛頓冷卻公式h——對流換熱系數，W/（m2·C）

10－1對流換熱的基本概念影響對流換熱的因素很多，都包含在h中。研究目的：求取h。二、影響h的因素1.流動起因自由流動——由流體冷熱各部分的密度差引起；受迫流動——受外力（如風機、水泵等）推動而引起。在其它條件相同的情況下：2.流動狀態（簡稱流態）層流流層之間互不摻混——熱傳導；湍（紊）流流體質團相互摻混——熱對流一般情況下,h紊＞h層①流態的判據:受迫對流——Re（雷諾數）自然對流——GrPr(格拉曉夫數與普朗特數的乘積)定義式：式中：u——特征速度（公式規定的代表性速度）l——特征（定型）尺寸（對流動有決定性影響）——動力粘度，kg/（m·s）——運動粘度，m2/s。Re的物理意義：慣性力(量綱分析)摩擦阻力②流態區分層流紊流過渡流——兩種流態交替出現或兼而有之。Re＜Rec1Re＞Rec2Rec1＜Re＜Rec2不同對流換熱情況下,Rec的值不同。3.流體的物性①不同的流體，物性不同；定性溫度來確定物性的溫度。②同一流體，溫度不同，物性也不同。因此用定性溫度的選取方式：流體進出口的算術平均溫度tf

；壁表面溫度tw

;流體與壁面的算術平均溫度4.換熱面的幾何因素（尺寸、形狀和位置等）幾何因素主要影響流體的流動狀態、邊界層的形成和發展（速度、溫度分布）等。其影響通過定型尺寸來表征（參見P.157圖10-3、1-4）。常用無量綱準則普朗特數Pr(物性參數)來反映物性對對流換熱的影響。5.流體有無相變（有相變h大）本章重點——單相流體受迫對流換熱三、h的確定方法建立邊界層微分（或積分）方程組并分析求解；由熱量和動量傳遞規律類比求解；相似理論指導下的實驗法；數值計算方法。四、流動邊界層和熱邊界層1.流動（速度）邊界層（1）

流動邊界層的定義：由于流體粘性作用，在壁面附近形成的速度梯度很大的薄層。形成機理：在粘性作用下，流體與壁面間的摩擦力以及流體每層之間的摩擦力使近壁區速度逐層降低。在緊貼壁面y=0處，速度ux=0。設：u∞

(uf)

為來流速度y＝處，

則0～的薄層稱為速度邊界層。

在邊界層內,很大，故τ也較大。τ—切向粘性力(維持層流,阻礙流體沿y向流動)主流區：邊界層以外，流速維持u∞

(u

f)基本不變的區域。在主流區中，。（2）掠過平板時邊界層的形成和發展設：流體以uf

流進平板前緣①起始處x=0，δ=0；之后x↑—δ↑,速度梯度↓

—

τ↓;

x＜xc,,為層流段,τ起支配作用,速度分布為拋物線；②x=xc處，層流邊界層開始變得不穩定,慣性力＞粘性力，若uf為紊流，沿y向有慣性力,層流流動狀態開始由層流→過渡流→紊流擴展變化，δ變厚。原因：紊流傳遞能量大，把粘性力傳到了較遠的地方。邊界層厚度δ、ux變化如圖。層流底層：穩定邊界層中緊貼壁面仍保持層流的極薄層。③最后形成三層結構的穩定邊界層:層流底層+緩沖層(過渡層)+紊流核心2.熱邊界層（溫度邊界層）⑴定義：由于溫差作用，在壁面處形成的溫度梯度很大的薄層。設：,則為熱邊界層。即：可近似認為是從壁面至t=0.99tf處的距離。層流層流⑵溫度分布（3）熱邊界層的幾個特點：①熱邊界層與物體的幾何尺寸相比很小,形成一般比速度邊界層晚，因傳熱需要時間；②一般δ≠δt，只有當a=ν時，二者相等.δt

反映流體的熱量擴散能力,與a有關

,δ反映流體的動量擴散能力,與ν有關

。因此Pr數反映了動量和熱量在流體中擴散的相對能力；③熱邊界層形態與速度邊界層層流段相似。邊界層內溫度分布呈拋物線型,壁面處溫度梯度最大，邊界層外可近似看作等溫流動。對流換熱熱量傳遞機理：包含對流——流體質點不斷運動和混合產生宏觀熱對流（主要在紊流區）。導熱——流體與壁面、流體分子之間的微觀導熱作用（主要在層流區）。10－2對流換熱的基本方程組對流換熱微分方程組包括：連續性方程、動量微分方程、能量微分方程、對流換熱微分方程。即利用了對流換熱量=導熱量原理，見P.176（10.6）利用對流換熱微分方程組和邊界層理論,可求得邊界層局部對流換熱系數hx,然后積分得h。(10.10)直接實驗法的局限性：①只能用于特定的實驗條件下完全相同的現象；②在某些情況下，由于條件的限制或是影響的因素太多，需進行成千上萬次實驗，才能找出規律；③對尚未建造的、特大型的設備，不能用此法探索其規律性；④常常只能得出個別量之間的規律性關系，難以抓住現象的全部本質。10－3相似理論基礎相似理論指導下的模型實驗的結果可以推廣到相似的現象中去，而且可以減少實驗次數。1、幾何相似。與流體相接觸部分形狀相同，幾何尺寸成比例；2、物理現象相似。同類物理現象在對應時刻、對應空間點的同名物理量成比例。（幾何相似、時間相似、物理場相似）二、相似原理1、相似性質

彼此相似的現象,其同名相似準則必相等。（證明見P.182）一、相似的概念2、相似準則數與準則間的關系（1）對流換熱常用準則——努謝爾特準則——雷諾準則——普朗特準則葛拉曉夫準則（注意與Bi的區別）（未定準則）（2）對流換熱常用準則的物理意義①努謝爾特準則Nu（未定準則）也可看作壁面處的溫度變化率與沿特征尺寸l的平均溫度變化率之比（又稱無量綱溫度梯度）。壁面處的溫度梯度↑→h↑→對流換熱越強烈。Nu

反映對流換熱強弱。由Re↑→慣性力↑→流體運動激烈程度↑→換熱強度↑

Re反映流體運動狀態對換熱的影響。②雷諾準則Re③普朗特準則Pr運動粘度與導溫系數的比值。Pr

反映物性對換熱的影響。慣性力與摩擦阻力之比④格拉曉夫準則Gr——容積膨脹系數（1/K）表示浮升力與粘性力的相對大小。Gr↑→浮升力↑→粘性力↓→自然對流換熱↑Gr

反映流體自然對流換熱的強弱?！獪囟壬咔昂蟮拿芏韧惉F象，單值性條件相似，同名已定準則數相等。3、判別相似的條件（3）相似準則間的關系描述物理現象的微分方程式表達了各物理量之間的函數關系，那么由這些量組成的相似準則間也應存在函數關系。函數形式一般表示為：或（具體情況詳見P.183）三、由實驗確定的準則方程式的具體形式紊流受迫對流換熱：層流受迫對流換熱：不考慮升浮力影響時為：自然對流換熱：對于氣體，Pr

可看作常數。C、m、n、s均由實驗整理確定，具體過程參見P.184。利用實驗研究確定準則間的函數關系時，常經驗地取對流換熱準則方程式為指數函數的形式。10-4單相流體強迫對流換熱的準則方程一、管內強迫流動換熱[包括非圓管(槽)道]1.流動和換熱特征①流動特征i）邊界層特點：入口段：邊界層形成發展在充分發展（定型）段：邊界層速度分布完全定型。Re<2300：層流2300<Re<104：過渡流Re>104：紊流對管內流動:ii）流動狀態判據——Reiii）入口段長度層流：紊流：同樣，熱邊界層也有入口段和充分發展段（見P.186）iv）hx

變化規律：層流hx

的變化規律與邊界層的形成發展規律有關。2.管內流體與管壁的平均溫差Δt（1）常熱流邊界條件（）定型段流體與管壁溫度均呈線性變化。（2）常壁溫條件（tw=const）管內流體溫度呈對數規律變化，全管長流體與壁面間的平均溫差

為對數平均溫差（推導詳見第12章）

：

3.管內強迫對流換熱準則方程（非唯一）（1）湍流強迫對流換熱——算術平均溫差時，可用算術平均溫差。①邊界層內溫度分布（熱流方向）的影響對液體：t↑→η↓，故加熱液體時：靠壁處η↓，u↑→h↑冷卻液體時：靠壁處η↑，u↓→h↓對氣體：t↑→η↑，故加熱時：靠壁處η↑，u↓→h↓（與液體相反）。該影響用溫度修正系數ct

修正。見公式（10.17b）影響管內受迫流動換熱的幾個因素及修正系數：②短管（入口效應）的影響指入口段的流動和換熱情況對h的影響。入口段h較大，且不穩定，修正系數可從圖10.15中查得?；?/p>