內(nèi)容要求:對流換熱概說；對流傳熱問題的數(shù)學描述；邊界層對流傳熱問題的數(shù)學描寫；流體外掠平板傳熱層流分析解(Jie)及比擬理論。第5章對流傳熱的理論基礎(chǔ)第一頁，共六十五頁。

2.對流換熱（Convectionheattransfer）:流體流過另一個物體表面時(Shi)，

對流和導熱聯(lián)合起作用的熱量傳遞現(xiàn)象。1.對流（Convection）：是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞現(xiàn)象。平壁表面的傳熱機理5.1對流傳熱概說5.1.1對流傳熱的基本概念和計算公式第二頁，共六十五頁。

3.牛頓(Dun)冷卻公式（Newton’slawofcooling）式中：tw—固體表面的平均溫度。tf—流體溫度。外部繞流（外掠平板，圓管）tf

為流體的主流溫度。

內(nèi)部流動（各種形狀槽道內(nèi)的流動）tf

為流體的平均溫度。d管內(nèi)流動tfh—固體表面的平均表面換熱系數(shù)。第三頁，共六十五頁。

4.局部表面?zhèn)鳠?Re)系數(shù)與平均表面?zhèn)鳠?Re)系數(shù)局部對流換熱時局部熱流密度：整個換熱物體表面的總對流換熱量：平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：tw-tf=Const對流換熱的核心問題第四頁，共六十五頁。問題

牛頓冷卻公式只是對對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的一個定義式，它沒有揭示出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與影響它的有關(guān)物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。對流傳熱的主要任(Ren)務(wù)：揭示這種內(nèi)在的聯(lián)系。

學習內(nèi)容：對流傳熱的理論基礎(chǔ)，旨在揭示對流傳熱過程的物理本質(zhì)、數(shù)學描述方法以及進行試驗研究的基本原則。首先從對流傳熱物理過程的角度，定性的分析對流傳熱的影響因素，然后較深入的討論對流傳熱的數(shù)學描述，在此基礎(chǔ)上導出邊界層類型問題的簡化方程，簡述其積分解法和比擬理論的概念。第五頁，共六十五頁。研究目的：

計算在各種不同條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1.介紹影響對流傳熱的因素，確定對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的幾種方法及這些方法的介紹，理解物理機制(Zhi)。2.具體介紹目前工程計算中較常用的幾種類型情況下確定h的計算公式。第六頁，共六十五頁。歸納起來，主要有以下五(Wu)方面：

流動的成因（自然對流,強制對流）

流動的流動狀態(tài)（層流,紊流）

換熱時物體有無相變（沸騰,凝結(jié)）

流體的物性（導熱系數(shù),粘度,密度,比熱容等）

換熱表面的幾何因素對流換熱是流體的導熱和熱對流兩種基本方式共同作用的結(jié)果。因此凡是影響流體導熱和對流的因素都將對對流換熱產(chǎn)生影響。5.1.2對流傳熱的影響因素第七頁，共六十五頁。1.流動的起因——強迫對流，自然對流。流動的起因不同(Tong)，流體內(nèi)的速度分布，溫度分布不同，對流換熱的規(guī)律也不同。強迫對流空氣h：自然對流自然對流：由于流體內(nèi)部的密度差產(chǎn)生的流動。強迫對流：流體在泵，風機或其他外部動力作用下產(chǎn)生的流動。第八頁，共六十五頁。2.流動的流動狀態(tài)——層(Ceng)流流動，湍流流動。層流(Laminarflow)：流速緩慢；沿軸線或平行于壁面作規(guī)則分層流動；熱量傳遞：主要靠導熱（垂直于流動方向）第九頁，共六十五頁。湍(Tuan)流(Turbulentflow)：流體內(nèi)部存在強烈脈動和旋渦運動；各部分流體之間迅速混合；熱量傳遞：主要靠對流。湍流邊界層層流底層：導熱湍流核心區(qū)：對流導熱對流第十頁，共六十五頁。3.流體有無(Wu)相變FluidmotioninducedbyvapourbubblesgeneratedatthebottomofapanofboilingwaterCondensationofwatervapourontheoutersurfaceofacoldwaterpipe有相變——沸騰換熱，凝結(jié)換熱。流體發(fā)生相變時的換熱規(guī)律及強度和單相流體不同。第十一頁，共六十五頁。4.流體的熱物理(Li)性質(zhì)對對流換熱的強弱有非常大的影響。密度和比熱容：體積熱容：單位體積流體熱容量的大小。導熱系數(shù)λ：影響流體內(nèi)部的熱量傳遞過程和溫度分布；λ越大，導熱熱阻越小，對流換熱越強烈。常溫下：空氣水常溫下：空氣水水的換熱能力遠高于空氣水的冷卻能力強于空氣第十二頁，共六十五頁。粘(Zhan)度μ：影響速度分布與流態(tài)（層流，湍流）；

μ越大，分子間約束越強，相同流速下不易發(fā)展成湍流狀態(tài)。高粘度流體（油類）多處于層流狀態(tài)，h較小。第十三頁，共六十五頁。5.換熱表面的(De)幾何因素換熱表面的幾何形狀，尺寸，相對位置，表面狀態(tài)（光滑或粗糙）等。對對流換熱有顯著影響；影響流態(tài)，速度分布，溫度分布。d管內(nèi)流動特征長度第十四頁，共六十五頁?？偨Y(jié)影響對流換熱的因素：定性溫度用來確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度。例如：流體的平均溫度；流體與壁面溫度的算術(shù)平均值等。特征長度代表幾何因素對換熱的影響。例如：管內(nèi)換熱以內(nèi)徑為特征長度；沿平板流動以流動方向的尺寸為特征長度等。第十五頁，共六十五頁。

對流(Liu)換熱分類第十六頁，共六十五頁。5.1.3對(Dui)流傳熱的研究方法1.分析法：

指對描寫某一類對流傳熱問題的偏微分方程及定解條件進行數(shù)學求解，從而獲得速度場和溫度場的分析解。可得出精確解或近似解。適用簡單問題。采用數(shù)學分析求解的方法，有指導意義。2.實驗法；

是目前的主要途徑。相似原理和量綱分析理論。3.數(shù)值法：

對對流換熱過程的特征和主要參數(shù)變化趨勢作出預(yù)測。應(yīng)用越來越多。4.比擬法：

利用流體動量傳遞和熱量傳遞的相似機理，建立表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和阻力系數(shù)之間的相互關(guān)系。限制多，范圍很小。第十七頁，共六十五頁。當粘性流體在壁面上流動時，由于粘性的作用，在靠近壁面處(Chu)流體的流速逐漸減?。辉谫N壁處(Chu)流體將被滯止而處(Chu)于無滑移狀態(tài)（即：y=0,u=0）——無滑移邊界條件（流體力學）貼壁處極薄的流體層相對于壁面不流動，壁面與流體間的熱量傳遞必須穿過該流體層，而穿過底部流體層的熱量傳遞方式只能是導熱。第十八頁，共六十五頁。5.1.4如何從解得的溫度場計(Ji)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)——換熱微分方程固體壁面處局部熱流密度：又由牛頓冷卻公式：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：流體的導熱系數(shù)不管是分析解、數(shù)值解還是實驗法都要用這一關(guān)系。第十九頁，共六十五頁。hx取決于流體熱導率、溫度差和貼(Tie)壁流體的溫度梯度溫度梯度或溫度場取決于流體熱物性、流動狀況（層流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗糙度等。溫度場取決于流場。速度場和溫度場由對流換熱微分方程組確定連續(xù)性方程、動量方程、能量方程

對流換熱過程微分方程式第二十頁，共六十五頁。當(Dang)y=0時，對第一類邊界條件：已知tw，求解的目的是求對第二類邊界條件：q已知，即已知的是求解的目的是求twxyu兩種的最終目的是要解出流體的溫度場。需要注意，這里的是流體的導熱系數(shù)，而導熱問題中多數(shù)是固體的導熱系數(shù)。

第二十一頁，共六十五頁。注意：上式(Shi)與導熱問題第三類邊界條件的差別（1）導熱問題中，h已知，此處h為未知值。（2）導熱問題中，為固體導熱系數(shù)，此處為流體的導熱系數(shù)。（3）導熱問題中，t為固體溫度，此處為流體溫度。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：第二十二頁，共六十五頁。5.2

對(Dui)流傳熱問題的數(shù)學描述對流傳熱問題完整的數(shù)學描述：假設(shè)二維對流換熱；流體為不可壓縮，牛頓流體；物性參數(shù)為常數(shù)(溫差、壓差、流速均較低），無內(nèi)熱源；忽略粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱。對流傳熱微分方程組定解條件

+質(zhì)量守恒方程動量守恒方程能量守恒方程第二十三頁，共六十五頁。1.連續(xù)性(Xing)方程根據(jù)微元體的質(zhì)量守恒導出。設(shè)速度分布：二維流動：5.2.1對流傳熱的微分方程組1823年,Navier(法)1845年,Stokes(英)根據(jù)微元體的動量守恒導出。2.動量微分方程（Navier-Stokes方程）慣性力體積力壓力梯度粘性力第二十四頁，共六十五頁。x方向：y方向：說明只有重力場作用時強迫對流換熱：忽略重力項；自(Zi)然對流換熱：浮升力起重要作用。第二十五頁，共六十五頁。第二十六頁，共六十五頁。第二十七頁，共六十五頁。第二十八頁，共六十五頁。第二十九頁，共六十五頁。3.能量微分(Fen)方程根據(jù)微元體的能量守恒導出。非穩(wěn)態(tài)項對流項若流體靜止：導熱微分方程導熱項幾點討論：第三十頁，共六十五頁。對流換熱微(Wei)分方程組：含有未知量：適用條件：自然對流，強迫對流換熱；層流，湍流換熱。(對于常物性時，可以先求速度場，再求溫度場）第三十一頁，共六十五頁。1.幾何條件(Jian)：對流換熱表面的幾何形狀，尺寸，壁面與流體的相對位置，壁面粗糙度。2.物理條件：流體的物理性質(zhì)（ρсλα）,有無內(nèi)熱源。3.時間條件：對流換熱過程進行的時間上的特點。

穩(wěn)態(tài)換熱：無初始條件

非穩(wěn)態(tài)換熱：初始時刻的速度場和溫度場。5.2.1對流傳熱的定解條件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：第三十二頁，共六十五頁。4.邊(Bian)界條件：說明對流換熱邊界上的狀態(tài)（邊界上速度分布，溫度分布及與周圍環(huán)境之間的相互作用）。第一類邊界條件：恒壁溫邊界條件（ConstanttempB.C）第二類邊界條件：恒熱流邊界條件（ConstantheatrateB.C）對比導熱的邊界條件第三十三頁，共六十五頁。

1904年，德國科學家普(Pu)朗特提出著名的邊界層概念。5.3.1流動邊界層(Velocityboundarylayer)舉例：流體平行外掠平板的強迫對流換熱。邊界層特點δ<<l5.3

邊界層對流傳熱問題的數(shù)學描寫第三十四頁，共六十五頁。第三十五頁，共六十五頁。第三十六頁，共六十五頁。第三十七頁，共六十五頁。流(Liu)場分區(qū)：邊界層區(qū)：速度梯度大，粘性力不能忽略；粘性力與慣性力處同一數(shù)量級；動量交換的主要區(qū)域，用動量微分方程描述。主流區(qū)：速度梯度趨于零，粘性力忽略不計；流體可近似為理想流體；用理想流體的歐拉方程描述。第三十八頁，共六十五頁。掠過平板時(Shi)邊界層的形成和發(fā)展：層流邊界層過渡區(qū)湍流邊界層層流底層(Laminarsublayer)緩沖層(bufferlayer)湍流核心區(qū)(Turbulentregion)轉(zhuǎn)戾點湍流邊界層的三層結(jié)構(gòu)模型：外掠平板：第三十九頁，共六十五頁。第四十頁，共六十五頁。5.3.2熱(Re)邊界層(Thermalboundarylayer)

1921年，波爾豪森提出。熱邊界層厚度δt：溫度場分區(qū)：熱邊界層區(qū)：存在溫度梯度，發(fā)生熱量傳遞的主要區(qū)；溫度場由能量微分方程描述。主流區(qū)：溫度梯度不計，近似等溫流動。第四十一頁，共六十五頁。3.熱邊界層和(He)流動邊界層的關(guān)系流動中流體溫度分布受速度分布影響。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化趨勢。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)導熱對流導熱導熱熱阻增大擾動熱阻增大第四十二頁，共六十五頁。第四十三頁，共六十五頁。普朗特準(Zhun)數(shù)Pr定義：物理意義：流體的動量擴散能力與熱量擴散能力之比。對層流邊界層，若熱邊界層和流動邊界層從平板前緣點同時發(fā)展：當時，當時，當時，對常見流體，Pr范圍0.6—4000之間。液態(tài)金屬0.05油102-103第四十四頁，共六十五頁。第四十五頁，共六十五頁。第四十六頁，共六十五頁。邊界層(Ceng)特點邊界層厚度：δ<<l,ｘ;δt<<l,ｘ;流場劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū);邊界層有層流邊界層和湍流邊界層,湍流邊界層分為層流底層,緩沖層和湍流核心區(qū)三層。層流邊界層和層流底層，熱量傳遞主要靠導熱。湍流邊界層的主要熱阻在層流底層。第四十七頁，共六十五頁。5.3.3邊界層內(nèi)對流換熱微分方程組的簡(Jian)化

分析對象：常物性，無內(nèi)熱源，不可壓縮牛頓流體，二維對流換熱：對流換熱微分方程組第四十