hx
tw
t
t y
w, xΒιβλιοθήκη hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度
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
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
第五章 对流换热
7
6 对流换热的分类：
(1) 流动起因
q Φ A
h(tw t f ) W m2
第五章 对流换热
3
4 表面传热系数（对流换热系数）
h Φ ( A(tw t )) W (m2 C)
—— 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
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
第五章 对流换热
16
§5-2 对流换热问题的数学描述
为便于分析，只限于分析二维对流换热
假设： a) 流体为连续性介质
b) 流体为不可压缩的牛顿型流体
即：服从牛顿粘性定律的流体； 而油漆、泥浆等不遵守该定
u
律，称非牛顿型流体
第五章 对流换热
4
5 对流换热的影响因素
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)换热表面的几何条件; (5)流体的热物理性质
以流体外掠平板为例：
我们所要得到的是：
（1）当地热流密度和总的换热量
q h(tw t )
Aw qdAw (tw t ) Aw hdAw
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 (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
第五章 对流换热
10
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W (m C)]
密度 [kg m3]
比热容 c [J (kg C)]
动力粘度 [N s m2 ]
运动粘度 [m2 s] 体胀系数 [1 K]
由傅里叶定律与牛顿冷却公式：
hx
tw
t
t y
w, x
W (m2 C)
对流换热过程 微分方程式
第五章 对流换热
15
对流换热过程微分方程式
hx
tw
t
t y
w, x
hx 取决于流体热导系数、温度差和贴壁流体的温度梯度
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
1 v 1 v T p T p
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
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (v, tw, t f , , cp , ,,, l,Ω)
第五章 对流换热
Convection Heat Transfer
第五章 对流换热
1
§5-1 对流换热概述
1 对流换热的定义和性质 定义: 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。
性质：
● 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式
● 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电
1
(tw
t
) Aw
Aw
Aw
hdAw
hAw (tw t )
第五章 对流换热
5
（2）平均对流换热系数
h 1 Aw
Aw hdAw
若势流只沿单方向进行， 则可写为：
h 1
L
hdx
L0
（3）对流换热过程的微分方程式
hx
tw
t
t y
w,x
W (m2 C)
第五章 对流换热
6
对流换热过程的微分方程式
第五章 对流换热
11
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (v, tw, t f , , cp , ,,, l,Ω)
第五章 对流换热
12
对流换热分类小结
如习题(1-3)
第五章 对流换热
13
7 如何从解得的温度场来计算表面传热系数 --------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）
风扇
第五章 对流换热
2
2 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
3 对流换热的基本计算式 牛顿冷却式:
Φ hA(tw t ) W
单位时间内、沿x轴方向、 经x表面流入微元体的质量
M x udy
单位时间内、沿x轴方向、经 x+dx表面流出微元体的质量
M
xdx
Mx
M x x
dx
单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量：
Mx
M xdx
M x x
dx
( u )
x
dxdy
第五章 对流换热
18
My
M y y
dy
M x udy
在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递
根据傅里叶定律：
qw,x
t y
w,x
流体的热导率
W m2
W (mC)
t yw,x — 在坐标(x,0)处流体的温度梯度
第五章 对流换热
14
根据傅里叶定律：
qw,x
t y
w,x
根据牛顿冷却公式：
qw,x hx (tw-t ) W m2
hx — 壁面x处局部表面传热系数 W（m2 C)
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
h强制 h自然
第五章 对流换热
8
(2) 流动状态
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
h湍流 h层流
第五章 对流换热
9
(3) 流体有无相变
单相换热： h相变 h单相
y
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 需要4个方程: 连续性方程(1)、动量方程(2)、能量方程(3)
第五章 对流换热
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1 质量守恒方程(连续性方程)
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 M 为质量流量 [kg/s]