（優(yōu)選）化工傳遞過(guò)程第八章現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五8.1對(duì)流傳熱機(jī)理與對(duì)流傳熱系數(shù)一、對(duì)流傳熱機(jī)理二、溫度邊界層（熱邊界層）三、對(duì)流傳熱系數(shù)第八章對(duì)流傳熱現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五流體壁面對(duì)流傳熱的類(lèi)型：對(duì)流傳熱有相變無(wú)相變蒸氣冷凝液體沸騰強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流強(qiáng)制層流傳熱強(qiáng)制湍流傳熱

本課程的對(duì)流傳熱指運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面之間的熱量傳遞。一、對(duì)流傳熱機(jī)理現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五層流內(nèi)層緩沖層湍流核心

當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，將形成(層流或湍流）邊界層。湍流邊界層由三層組成：層流內(nèi)層、緩沖層和湍流核心。由于流體具有粘性，故緊貼壁面的一層流體，其速度為零。一、對(duì)流傳熱機(jī)理現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五（1）層流內(nèi)層—傳熱方式為熱傳導(dǎo)；（2）湍流核心—熱量傳遞以旋渦運(yùn)動(dòng)引起的傳熱為主，而分子運(yùn)動(dòng)所引起的熱傳導(dǎo)可以忽略不計(jì)；（3）緩沖層—兼有熱傳導(dǎo)和渦流傳熱兩種傳熱方式；一、對(duì)流傳熱機(jī)理現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五二、溫度邊界層（熱邊界層）

當(dāng)流體流過(guò)固體壁面，若流體與壁面處的溫度不同，則在與壁面垂直的方向上建立起溫度梯度，該溫度梯度自壁面向流體主體逐漸減小。壁面附近具有較大溫度梯度的區(qū)域稱(chēng)為溫度邊界層。平板壁面的溫度邊界層現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五當(dāng)流體以u(píng)0、t0流進(jìn)管道，在進(jìn)口附近形成溫度邊界層，其形成過(guò)程與速度邊界層類(lèi)似。管道壁面的溫度邊界層傳熱進(jìn)口段長(zhǎng)度進(jìn)口段傳熱充分發(fā)展的傳熱二、溫度邊界層（熱邊界層）

現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五（1）平板邊界層厚度：（2）管內(nèi)邊界層的厚度：進(jìn)口段區(qū)：與平板相同；

匯合后：熱邊界層厚度的定義

二、溫度邊界層（熱邊界層）

現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五三、對(duì)流傳熱系數(shù)固體壁面與流體之間的對(duì)流傳熱通量可用牛頓冷卻定律描述：

1.對(duì)流傳熱的定義對(duì)流傳熱通量

對(duì)流傳熱系數(shù)

壁面溫度

流體溫度

J/(m2.s)

J/(m2.s.K)現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五（1）平板邊界層：取三、對(duì)流傳熱系數(shù)u0t0yx0δttst0現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五（2）管內(nèi)邊界層（充分發(fā)展后）管道壁面的溫度邊界層取—主體平均溫度，混合杯（Mixing-cup)溫度。三、對(duì)流傳熱系數(shù)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五求解對(duì)流傳熱速率q的關(guān)鍵是確定對(duì)流傳熱系數(shù)h。h與動(dòng)量傳遞系數(shù)CD是的求解方法類(lèi)似。對(duì)流傳熱系數(shù)的求解途徑（以平板為例）：

近壁面的流體層速度為零，則通過(guò)該流體層的傳熱為導(dǎo)熱，其傳熱速率q為三、對(duì)流傳熱系數(shù)u0t0yx0δttst0現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五穩(wěn)態(tài)下，該熱量以對(duì)流方式傳入流體中，即式（1）與（2）聯(lián)立，得h壁面處溫度梯度溫度分布t=t(x,y,z)解能量方程速度分布解運(yùn)動(dòng)方程注意：以上路線僅適合于層流傳熱。三、對(duì)流傳熱系數(shù)現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五求解湍流傳熱的對(duì)流傳熱系數(shù)的兩個(gè)途徑：（1）應(yīng)用量綱分析方法并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；（2）應(yīng)用動(dòng)量傳遞與熱量傳遞的類(lèi)似性，通過(guò)類(lèi)比法求對(duì)流傳熱系數(shù)h。三、對(duì)流傳熱系數(shù)現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五第八章對(duì)流傳熱8.1對(duì)流傳熱機(jī)理與對(duì)流傳熱系數(shù)8.2平壁面上的對(duì)流傳熱

一、平板壁面上層流傳熱的精確解

二、平板壁面上層流傳熱的近似解

三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五平板層流傳熱的對(duì)流傳熱系數(shù)可通過(guò)理論分析法求算（精確解），亦可通過(guò)與卡門(mén)邊界層積分動(dòng)量方程類(lèi)似的熱流方程得到。平板湍流傳熱系數(shù)的求算，則通過(guò)熱流方程的方法來(lái)解決。一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五流體在平板壁面上流過(guò)時(shí)速度邊界層與溫度邊界層的發(fā)展

（a）

（b）

δδtyx0u0t0δδtyx0u0t0x0tsts流體在平板壁面上流過(guò)時(shí)速度邊界層與溫度邊界層的發(fā)展的2種情況：一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五1.平壁上層流傳熱邊界層的變化方程普蘭德邊界層方程能量方程化簡(jiǎn)：一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五由于邊界層能量方程一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五2.平壁上層流傳熱邊界層的解析解作變量置換，令比較t～

ux一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五令一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五令一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五令二次積分并代入B.C.（1）得代入B.C.（2）得一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五溫度分布方程Pohlhausen采用數(shù)值法求解上式其解如圖所示：、

Pr=1

15

50

0.6

一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五3.局部對(duì)流傳熱系數(shù)適用條件：所有Pr，一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五對(duì)于范圍Pr=0.6~15內(nèi)的層流流動(dòng)，可以簡(jiǎn)化：02.01.03.04.00.55.01.00.332由圖適用條件：Pr=0.6~15，一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五4.平均對(duì)流傳熱系數(shù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬為b的平板的平均對(duì)流傳熱系數(shù)定性溫度：

一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五5.熱邊界層厚度02.01.03.04.00.55.01.0由圖當(dāng)時(shí)一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五邊界層傳熱的另一種較簡(jiǎn)單的求解方法是采用溫度邊界層的熱量流動(dòng)方程（簡(jiǎn)稱(chēng)熱流方程）。其特點(diǎn)是求解過(guò)程簡(jiǎn)單、結(jié)果足夠精確、還適用于湍流邊界層的傳熱計(jì)算。一、平板壁面上層流傳熱的精確解

現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五1.溫度邊界層熱流方程的推導(dǎo)取一微元控制體δtt02341dx作熱量衡算1-2面：流入熱量流率：質(zhì)量流率：二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五3-4面：流出質(zhì)量流率：熱量流率：二、平板壁面上層流傳熱的近似解

δtt02341dx現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五2-3面：流入質(zhì)量流率：熱量流率：二、平板壁面上層流傳熱的近似解

δtt02341dx現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五1-4面（壁面）：導(dǎo)入熱量以導(dǎo)熱方式輸入控制體，根據(jù)傅立葉定律，熱流速率為m4=0二、平板壁面上層流傳熱的近似解

δtt02341dx現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五即僅考慮x方向的流動(dòng)，上式寫(xiě)成邊界層熱流方程

邊界層積分動(dòng)量方程

二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五2.平板壁面上層流傳熱的近似解考察平板壁面上速度邊界層與溫度邊界層不同時(shí)發(fā)展的情形。

δδtyx0u0t0x0ts二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五令二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五積分上式，得由得二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五如加熱由平板前緣開(kāi)始，x0=0，則或（1）對(duì)于粘稠油類(lèi)流體，Pr≥1000，假定成立；（2）對(duì)于氣體，Pr＜1（空氣為0.7），則假定不成立，但氣體Pr值最小約為0.6

,由上式算出ξ=1.16，誤差不大；

（3）對(duì)于Pr極小的流體，例如液態(tài)金屬，不成立。

二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五局部對(duì)流傳熱系數(shù)

二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五局部對(duì)流傳熱系數(shù)當(dāng)加熱由平板前緣開(kāi)始，x0=0，則二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五定性溫度：平均對(duì)流傳熱系數(shù)

二、平板壁面上層流傳熱的近似解

現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五邊界層熱流方程既可用于層流邊界層的傳熱計(jì)算，也可用于湍流邊界層的傳熱計(jì)算。但對(duì)于后者，應(yīng)該使用湍流時(shí)的速度分布方程和溫度分布方程：三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五對(duì)于湍流，假定速度分布和溫度分布均遵循1/7次方定律：

層流（）

湍流：三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五由得三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五實(shí)驗(yàn)表明，湍流邊界層傳熱時(shí)，Pr的指數(shù)仍為1/3，即相當(dāng)于n=1/1.71=0.585，故

三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五局部對(duì)流傳熱系數(shù)平均對(duì)流傳熱系數(shù)三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五若考慮平板前緣層流邊界層的影響時(shí)，可作如下修正：

式中三、平板壁面上湍流傳熱的近似解

現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五第八章對(duì)流傳熱8.1對(duì)流傳熱機(jī)理與對(duì)流傳熱系數(shù)8.2平壁面上的對(duì)流傳熱

8.3管內(nèi)對(duì)流傳熱一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析（1）流動(dòng)邊界層與傳熱邊界層同時(shí)發(fā)展（2）流動(dòng)邊界層充分發(fā)展現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五1.傳熱微分方程第（1）種情況：穩(wěn)態(tài)、軸對(duì)稱(chēng)、進(jìn)口段二維層流：第（2）種情況：穩(wěn)態(tài)、軸對(duì)稱(chēng)、層流充分發(fā)展（長(zhǎng)徑比大）：給定出B.C.，可用變量分離法求解。一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五通常的B.C.為：（=常數(shù)，恒壁溫）或（3）r=ri，對(duì)流邊界一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五2.流動(dòng)與傳熱邊界層均充分發(fā)展后的層流傳熱傳熱均充分發(fā)展的定義—一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五①壁面熱通量=常數(shù)；兩種常見(jiàn)的壁面邊界條件：②壁溫恒定，ts

=常數(shù)。（1）壁面熱通量=常數(shù)在此情況下，可以推出：一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五第一次積分，得：由B.C.（1）得：再積分，得

借助管壁面溫度r＝ri，t=ts

得：一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五注意：為常數(shù)使邊界條件（2）自動(dòng)滿足。

一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五

在管內(nèi)層流傳熱過(guò)程中，當(dāng)速度邊界層和溫度邊界層均充分發(fā)展后，hz或Nu為常數(shù)。一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五（2）壁溫恒定，ts

=常數(shù)可以證明，不再為常數(shù)而是徑向距離r的函數(shù)。

Greatz分析求解的結(jié)果為一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五3.管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的普遍解圖為努塞爾(Nusselt)和凱斯（Kays)的結(jié)果NuPr=0.7ts=常數(shù),δ充分發(fā)展(q/A)s=常數(shù),δ、δt同時(shí)發(fā)展ts=常數(shù),δ、δt

正在發(fā)展3961215180.010.1一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五傳熱進(jìn)口段長(zhǎng)度Lt可用下式估算將圖中曲線擬合，用下式表示為一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五擬合式中的各常數(shù)值

壁面情況速度側(cè)形PrNuk1k2n恒壁溫恒壁熱通量拋物線任意平均正在發(fā)展局部3.660.06680.042/34.36平均0.73.66恒壁溫拋物線任意0.1040.0160.80.0230.00121.0恒壁熱通量正在發(fā)展0.7局部4.360.0360.00111.0一、管內(nèi)強(qiáng)制層流傳熱的理論分析現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五

傳遞機(jī)理的類(lèi)似；動(dòng)量與熱量傳遞類(lèi)似的體現(xiàn)：數(shù)學(xué)模型類(lèi)似；求解方法類(lèi)似；兩個(gè)傳遞系數(shù)（f與h）可用一定的關(guān)系式相聯(lián)系。類(lèi)似律二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五

根據(jù)動(dòng)量與熱量傳遞的類(lèi)似性，對(duì)兩種傳遞過(guò)程進(jìn)行類(lèi)比分析，建立傳遞系數(shù)間的定量關(guān)系，該過(guò)程即動(dòng)量與熱量傳遞的類(lèi)比。意義

由已知傳遞過(guò)程系數(shù)求另一傳遞過(guò)程系數(shù)。動(dòng)量傳遞系數(shù)

f熱量傳遞系數(shù)h二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五雷諾類(lèi)比模型圖

設(shè)流體以湍流流過(guò)壁面，流體與壁面間進(jìn)行動(dòng)量、熱量傳遞。Reynolds假定：湍流主體一直延伸到壁面。一層模型

設(shè)單位時(shí)間單位面積上，流體與壁面間所交換的質(zhì)量為M。1.雷諾類(lèi)似律二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五單位時(shí)間單位面積上交換的動(dòng)量為由故又二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五單位時(shí)間單位面積上交換的熱量為故由聯(lián)立得故二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五傳熱斯坦頓(Stanton)數(shù)令故雷諾類(lèi)似律雷諾類(lèi)似律雷諾類(lèi)似律把整個(gè)邊界層作為湍流處理，故雷諾類(lèi)似律有一定的局限性。適用條件二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五假定：湍流邊界層由湍流主體和層流內(nèi)層組成：

兩層模型推導(dǎo)得普蘭德－泰勒類(lèi)似律修正項(xiàng)0

層流內(nèi)層湍流核心2.普蘭德-臺(tái)勞類(lèi)似律二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五卡門(mén)（Karman）假定，湍流邊界層由湍流主體、緩沖層和層流內(nèi)層組成：三層模型卡門(mén)類(lèi)似律修正項(xiàng)層流內(nèi)層緩沖層湍流核心3.卡門(mén)類(lèi)似律二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五整理得令傳熱j因數(shù)故柯?tīng)柋绢?lèi)似律適用條件4.科爾本類(lèi)似律二、圓管湍流傳熱的類(lèi)似律

現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有78頁(yè)\編輯于星期五各類(lèi)似律的適用條件

物性參數(shù)可視為常數(shù)或取平均值；

無(wú)內(nèi)熱源；

無(wú)輻射傳熱；