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，与换热壁面的位臵有关。
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
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
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，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
第十四章 对 流 换 热
第一节 对流换热及其影响因素分析
第二节 求解表面传热系数的方法 第三节 圆管受迫对流换热 第四节 自然对流换热 第五节 沸 腾 换 热 第六节 凝 结 换 热
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
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
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
图14-2
流过平板时边界层的形成和发展
2.热边界层
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