对流传热的理论基础与工程计算

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1、第5章对流传热的原理与计算本章的几点说明1）三种热量传递方式：热传导、热对流和热辐射，而不是热传导、对流传热和热辐射2）导热中：涉及到的对流传热作为边界条件给出的，凡是涉及到表面传热系数h，均是作为已知值给出的3）本章的目标－如何计算表面传热系数本章思路（a）定性介绍对流传热的基本概念，主要是分类和影响因素（b）为定量分析，建立描述对流传热问题的数学模型（类似于导热问题）（c）数学模型的简化，借助于边界层理论对数学模型进行简化（d）如何用实验方法研究对流传热过程（e）准则方程式及应用（经验关系式）（f）自然对流作业：习题5-1、5-5、5-

2、8；5-10、5-14、5-16（强迫对流）5-21、5-22（自然对流）§5-1概述一对流传热的概念与计算热对流——流体（气体或液体）中温度不同各部分发生相互混合的宏观运动引起的热量传递现象，以流体整体作为研究对象热对流的机理——（1）流体分子间微观的导热作用——（2）流体微团间宏观的对流作用对流传热——相对运动的流体与其温度不同的壁面接触时，流体与壁面之间的热量传递过程三个要素：流动着的流体、固体壁面、温差对流传热的计算公式为牛顿冷却定律表面传热系数h与导热系数λ不同，它不是一个物性参数，而是一个过程量——对流传热的类型不同、流体的种类、

3、温度不同、流速不同、壁面的形状和温度不同，表面传热系数都是不同的对流传热过程传热量的计算是非常简单的，但确定h却不是一件容易的事形式简单的牛顿冷却定律仅可作为表面传热系数的定义，它把影响对流传热过程的一切复杂因素归结到对流换热系数上本章的目标——用理论或实验的方法具体给出各种场合下h的计算关系式(经验半经验公式)二影响对流传热过程的因素1流动的影响—流动起因和流态使流体产生运动的原因：一是通过外界施加强迫力，泵、风机对流体作机械功，使管道中流体的动能和静压力提高，从而获得宏观速度。这种流动称为强迫对流（forcedconvection）又称为

4、强制对流、受迫对流二是由于流体中存在温度差，由此产生密度差异从而导致浮升力引起流体的运动，称为自然对流(naturalconvection)流动成因不同，流体的速度不同，对流的剧烈程度不同流速越高，流体的掺混就越强烈，对流传热就越强强迫对流时的速度一般高于自然对流，强迫对流传热的表面传热系数也多半高于后者夏天，有风吹着比没风时感觉更凉快。风扇的转速流态－流动的状态层流（laminarflow）湍（紊）流（turbulentflow）过渡流（transitionregion）区分流体处于何种流态的特征数为雷诺数，记为Re确定流态的实验（雷诺试验

5、）层流—流体只沿着与流道轴心平行的流线流动，或者说在轴线或沿表面方向上作规则的缓慢分层运动，仅有非常微弱的横向（指和流速垂直的方向）混合湍流—流线处于不规则的状态，除了存在纵向（流动方向）速度外，在流动截面上也存在横向速度。流体内部存在强烈的涡旋运动，处于充分的混合状态注意！——不能将流动状态和流动的起因简单地一一对应事实上，层流和湍流既可能发生在强迫流动中，也可能发生在自然对流中传热特点层流－热量传递主要依靠分子扩散作用湍流—热量传递除了导热外，更多地依靠热对流作用2流体的热物理性质（1）密度和比热容密度和比热容的乘积称为流体的体积热容，在

6、热对流中起着举足轻重的作用物理意义－单位体积流体携带并转移热量的能力大小体积热容越大，表明单位体积流体携带并转移热量的能力越强水和空气冷却能力的对比——常温下：水的体积热容量约等于4175kJ／(m3·℃)，空气仅为1.21kJ／(m3·℃)，两者差数千倍！——一般用水作为冷却介质（2）导热系数对流换热过程中也包含有流体导热的作用流体导热系数的大小会直接影响流体内部的热量传递过程和温度分布状态特别是对紧贴固体壁面的那部分流体来说，导热系数更是起着关键的作用紧贴固体壁面的流体相对于壁面来说是静止的显然，导热系数越大，对流换热过程越强烈仍以水和空

7、气作比较，常温下水的导热系数比空气高大约二十几倍20℃：水－0.599W/(m.K)；空气－0.0259W/(m.K)从体积热容和导热系数二者来看：相同条件下水的冷却能力必定大大强于空气生活和工业中通常采用水作为冷却介质，夏天游泳、冲凉，比较在水中和空气中的冷热感觉（3）粘度流体的粘度是通过流态影响对流换热的强弱粘度越大的流体，分子间的约束力就越强，相同流速下越不容易发展成湍流状态高粘度的油类较多地处于层流状态，表面传热系数一般比较小（4）体积膨胀系数式中，v为流体的比容，密度的倒数正是由于流体的密度随温度的变化才导致了自然对流现象的发生体积

8、膨胀系数主要影响自然对流传热与水相比，空气更容易发生自然对流3换热表面的形状、大小和位置换热面的情况对换热强度也有不容忽视的影响。分析对流传热问题首先必须先区分对流