1、第五章 對流換熱,對流換熱,當流體流過固體壁面時，若流體溫度與固體壁面的溫度不同，則兩者之間必然發(fā)生熱量交換，這種熱量交換過程稱為對流換熱。 對流換熱過程中交換的熱量可根據(jù)牛頓冷卻公式計算 牛頓冷卻公式只是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的的一個定義式，它沒有揭示出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與影響它的物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究對流換熱的任務(wù)就是要揭示這種內(nèi)在的聯(lián)系，確定計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的具體表達式。本章首先介紹對流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫，并利用邊界層的概念對其作一定的簡化，然后對其求解。目前，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值主要通過實驗來獲得，因此本章將著重介紹采用實驗方法獲得對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式時的重要理論工具相似原理，最后介紹

2、常見的無相變對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式，而有相變的對流換熱則留待下一章討論。,第一節(jié) 對流換熱概說,對流換熱的概念 影響對流換熱的因素 對流換熱的分類 研究對流換熱的方法 對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與溫度場的關(guān)系,對流換熱的概念,流體流過與其溫度不同的固體壁面時，流體與固體壁面間的熱量傳遞稱為對流換熱。 例如：人體表面與周圍空氣間的熱量傳遞；空氣與房屋墻面間的熱量傳遞；鍋爐中煙氣與受熱面間的熱量傳遞；內(nèi)燃機氣缸內(nèi)燃氣與氣缸壁間的熱量傳遞；燒開水時，火焰與壺底及水與壺底間的熱量傳遞等等。 對流換熱現(xiàn)象是生活和工程中常見的熱量傳遞現(xiàn)象,影響對流換熱的因素,流體流動的起因 流體有無相變 流體的流動狀態(tài) 換熱表面

3、的幾何因素 流體的物理性質(zhì),流動起因?qū)Q熱的影響,由于流動起因的不同，流動可以分為自然流動和強迫流動，與之相對應(yīng)的換熱可分為自然對流換熱和強迫對流換熱。 自然流動是由于流體中各點的溫度不同，從而導(dǎo)致流體中各點的密度不同，因而在此密度差的作用下流體產(chǎn)生的流動。此種情況下流體與固體壁面間的換熱稱為自然對流換熱。 強制（迫）流動是由于外力的作用（如風機等）而產(chǎn)生的流動。此種情況下流體與固體壁面間的換熱稱為強迫對流換熱。 由于兩種流動的成因不同，流體中的速度場也有差異，所以換熱規(guī)律就不一樣。一般而言，強迫對流的換熱強度要大于自然對流換熱。,流體有無相變的影響,對流換熱是流體在流動過程中與固體壁面交換的

4、熱量，所以，此時流體微團攜帶熱量的多少直接影響換熱強度的大小。 沒有相變時流體微團所攜帶的熱量是熱容量，因此流體與壁面的換熱量主要是流體的顯熱。 在有相變的換熱過程中（如沸騰或凝結(jié)），流體相變熱（潛熱）的釋放或吸收常常起主要作用，因而換熱規(guī)律與無相變時不同。 一般而言，有相變時的對流換熱系數(shù)大于無相變時的換熱系數(shù)。,流動狀態(tài)對換熱的影響,流體力學(xué)的研究已經(jīng)表明，粘性流體存在著兩種不同的流態(tài)層流和湍流。 層流時流體微團沿著主流方向作有規(guī)則的分層流動，此時換熱的主要熱阻是層流邊界層的厚度。 湍流時流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合，換熱主要以熱對流為主。 在其他條件相同時湍流換熱的強度要強于層流。,換熱

5、表面幾何因素對換熱的影響,這里的幾何因素是指換熱面的形狀、大小、換熱表面與流體運動方向的相對位置以及換熱面的表面狀態(tài)（光滑或粗糙）等。 流體流過不同換熱面時，由于其流動規(guī)律不同（速度分布不同），所以換熱情況也不同。 演示：流體流過不同物體時的流動狀況,流體物理性質(zhì)對換熱的影響,流體的物理性質(zhì)對于對流換熱有很大的影響。由于對流換熱是導(dǎo)熱和流動著的流體微團攜帶熱量的綜合作用，因此對流換熱強度與反映流體導(dǎo)熱能力的導(dǎo)熱系數(shù)、反映流體攜帶熱量能力的密度和比熱容有關(guān)。流體粘度（或運動粘度）的變化會引起雷諾數(shù)的變化，從而影響流體流態(tài)和流動邊界層的厚度。體積膨脹系數(shù)影響自然對流時浮升力的大小和邊界層內(nèi)的溫度分

6、布。因此，流體的這些物性值也都對換熱有影響。 一般而言，流體導(dǎo)熱系數(shù)增加、熱容量增加時，對流換熱強度增加；而流體粘度增加時，對流換熱強度會減小。,對流換熱的分類,對流換熱研究方法,分析法 實驗法 比擬法 數(shù)值法,分析法,分析法是指對描寫某一類對流換熱問題的偏微分方程及相應(yīng)的定解條件進行數(shù)學(xué)求解，從而獲得速度場和溫度場的分析解的方法。這種方法的優(yōu)點是能深刻揭示各個物理量對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的依變關(guān)系，深刻理解對流換熱過程的物理性質(zhì)；缺點是由于數(shù)學(xué)求解的復(fù)雜性，只能求解某些定解條件簡單的特定問題。,實驗法,即通過相似理論或量綱分析確定對流換熱系數(shù)的準則關(guān)聯(lián)式，然后通過實驗確定關(guān)聯(lián)式中的待定常數(shù)，進而獲得

7、對流換熱系數(shù)的準則方程式。這種方法是目前獲得對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的主要方法。,比擬法,是指通過研究動量傳遞及熱量傳遞的共性或類似特性，以建立起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與阻力系數(shù)間的相互關(guān)系的方法。應(yīng)用比擬法，可通過比較容易用實驗測定的阻力系數(shù)來獲得相應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算公式。這種方法在傳熱學(xué)發(fā)展的早期，曾廣泛用來獲得湍流換熱的計算公式。隨著實驗技術(shù)及計算技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來這一方法已較少應(yīng)用。,數(shù)值法,用離散數(shù)學(xué)的方法，對描寫對流換熱問題的偏微分方程組進行離散，建立節(jié)點方程組，利用計算機求解的方法稱為數(shù)值解法。這種方法在近20多年來獲得了迅速的發(fā)展，并將會日益顯示出其重要的作用。,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體溫度場之間的關(guān)系,當粘性流體在壁面上流動時，由于粘性的作用，在靠近壁面的地方流體速度逐漸減小，而在貼壁處流體將被滯止而處于無滑動狀態(tài)。換句話說，在貼壁處流體沒有相對于壁面的流動，即處于靜止狀態(tài)。由于貼壁處這一極薄的流體層相對于壁面是不流動的，而壁面與流體間的熱量傳遞必須穿過這個流體層，穿過不流動的流體層的熱量傳遞方式只能是導(dǎo)熱。因此，對流換熱量就等于貼壁流體層的導(dǎo)熱量。,壁面附近速度分布示意圖,換熱方程的推導(dǎo),貼壁處流體的導(dǎo)熱量 流體與壁面之間的對流換熱量 穩(wěn)態(tài)換熱時兩者相等,對換熱方程的說明,換熱方程將對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體的溫度場聯(lián)系起來，不論是分析解法、數(shù)值解法還是實