1、1航空工程学院发动机系航空工程学院发动机系流动流体与所接触的物体表面之间由于温流动流体与所接触的物体表面之间由于温度差而引起的热量传递称为度差而引起的热量传递称为（表面）对流（表面）对流传热。传热。按流体有无相变按流体有无相变 按流体流动起因按流体流动起因按流体流动状态按流体流动状态25.15.1 概述概述层流对流传热层流对流传热湍流对流传热湍流对流传热自然对流传热自然对流传热强迫对流传热强迫对流传热单相对流传热单相对流传热相变对流传热相变对流传热凝结，沸腾凝结，沸腾 基本公式基本公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式流体与壁面的温差流体与壁面的温差对流传热面积对流传热面积对流传热系数对流传热系数热阻热
2、阻5.15.1 概述概述hA t 1hRhAhAt对流传热系数及其影响因素对流传热系数及其影响因素对流传热系数是一个表征对流传热强弱的对流传热系数是一个表征对流传热强弱的非物性非物性参数参数，定义式为：，定义式为：如何确定如何确定h h及增强换热的措施是对流换热的核心问题及增强换热的措施是对流换热的核心问题影响因素：影响因素：1. 1. 流动起因流动起因强迫对流强迫对流自然对流自然对流5.15.1 概述概述qht2. 2. 流动状态流动状态层流层流整个流场呈一簇互相平行的流线整个流场呈一簇互相平行的流线湍流湍流流体质点做复杂无规则的运动流体质点做复杂无规则的运动3. 3. 有无相变有无相变单相
3、依靠显热实现传热单相依靠显热实现传热相变依靠潜热实现传热相变依靠潜热实现传热4. 4. 流体物性流体物性热导率热导率流体与壁面间导热热阻越小，对流传热越强流体与壁面间导热热阻越小，对流传热越强定压比热定压比热单位体积流体能携带更多能量单位体积流体能携带更多能量密度密度单位体积流体能携带更多能量单位体积流体能携带更多能量动力粘度动力粘度阻碍流体流动，不利于对流阻碍流体流动，不利于对流体胀系数体胀系数使自然对流换热增强使自然对流换热增强5.15.1 概述概述5. 5. 几何因素几何因素5.15.1 概述概述研究对流传热的方法：研究对流传热的方法：1. 1.分析解法分析解法 数量级分析法数量级分析法
4、 积分近似解法积分近似解法2. 2.数值解法数值解法3. 3.比拟法比拟法4. 4.相似原理指导下的实验法相似原理指导下的实验法5.15.1 概述概述5.25.2 边界层概念边界层概念流动边界层流动边界层由于粘性作用，流体流速在靠近壁面处随离壁面的距由于粘性作用，流体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，处于无滑移状离的缩短而逐渐降低，在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。这种固体壁面附近流体速度变化剧烈的薄层称为流态。这种固体壁面附近流体速度变化剧烈的薄层称为流动边界层或速度边界层。动边界层或速度边界层。uy由牛顿粘性定律：由牛顿粘性定律：动力粘度动力粘度 Pa.sPa.
5、s流场可以划分为两个区：流场可以划分为两个区： 边界层区边界层区与与主流区主流区5.25.2 边界层概念边界层概念流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：层流边界层层流边界层 过渡区过渡区 湍流边界层湍流边界层层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度湍流核心区湍流核心区层流底层层流底层5.25.2 边界层概念边界层概念层流向湍流转捩的定量判据层流向湍流转捩的定量判据雷诺数（雷诺数（Reyn
6、oldsReynolds）定义式：定义式：Rec cc ccu lu l惯性力惯性力粘性力粘性力cucl密度密度特征流速特征流速特征尺寸特征尺寸运动粘度运动粘度5Re5 10c 掠过等温平壁时层流向湍流转捩的临界雷诺数：掠过等温平壁时层流向湍流转捩的临界雷诺数：5.25.2 边界层概念边界层概念流体边界层的特点：流体边界层的特点： 边界层厚度边界层厚度 与壁的定型尺寸与壁的定型尺寸L L 相比极小，相比极小， L L 边界层内存在较大的速度梯度边界层内存在较大的速度梯度 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）仍
7、有层流特征，粘性底层（层流底层） 流场可以划分为边界层区与主流区流场可以划分为边界层区与主流区边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述主流区：由理想流体运动微分方程主流区：由理想流体运动微分方程欧拉方程描述欧拉方程描述5.25.2 边界层概念边界层概念热边界层热边界层当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边界层（热边界层）大的温度边界层（热边界层）Tw0.99wwttttty热边界层厚度热边界层厚度5.25.2 边界层概念边界层概念流体掠过等温平壁时热边界层的形成和发展：流体掠过等温平壁时热边界层的形成和发展
8、：在层流边界层中：热量传递依靠导热在层流边界层中：热量传递依靠导热在湍流边界层中：热量传递依靠流体微团的脉动引起在湍流边界层中：热量传递依靠流体微团的脉动引起 的混合作用的混合作用5.25.2 边界层概念边界层概念热边界层厚度与流动边界层厚度的关系：热边界层厚度与流动边界层厚度的关系：（流动边界层和热边界层的状况决定边界层内的热量传递）（流动边界层和热边界层的状况决定边界层内的热量传递） 普朗特数普朗特数反映流动边界层厚度与热边界层反映流动边界层厚度与热边界层厚度的相对大小厚度的相对大小 常用流体的常用流体的PrPr值在值在0.640000.64000之间之间14Pra动量扩散能力动量扩散能力
9、热量扩散能力热量扩散能力5.35.3 对流传热微分方程组对流传热微分方程组对流传热对流传热流体热对流流体热对流+ +导热导热还要涉及到流体的质量、动量、能量方程，还要涉及到流体的质量、动量、能量方程，因此对流传热需用一组方程描述。因此对流传热需用一组方程描述。方程简化：常物性，流速不高，无内热源，不可方程简化：常物性，流速不高，无内热源，不可 压缩，牛顿型流体，二维稳态对流传热压缩，牛顿型流体，二维稳态对流传热 155.35.3 对流传热微分方程组对流传热微分方程组1. 1.传热方程传热方程0 xxfytqy 粘性底层的导热：粘性底层的导热：牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：xxwfxqhtt合并上
10、两式：合并上两式：0fxxwfyxthytt 5.35.3 对流传热微分方程组对流传热微分方程组2. 2. 质量方程质量方程3. 3. 动量方程动量方程4. 4. 能量方程能量方程0uvxy2222xuuupuuuvFxyxxy2222yvvvpvvuvFxyyxy2222tttttuvaxyxy5.35.3 对流传热微分方程组对流传热微分方程组 边界层对流传热微分方程组边界层对流传热微分方程组 将对流传热微分方程组应用到边界层内，可以求将对流传热微分方程组应用到边界层内，可以求解简单的对流传热问题。解简单的对流传热问题。例如对纵掠等温平壁的稳态传热，例如对纵掠等温平壁的稳态传热， 时时，求解
11、结果为：求解结果为：5Re5 10 11230.332xu xhxa 5.45.4 特征数方程特征数方程 相似理论相似理论同类物理现象中，若在空间对应的地点和时间同类物理现象中，若在空间对应的地点和时间对应的瞬间，其各对应的物理量分别成一定比例，对应的瞬间，其各对应的物理量分别成一定比例，称物理现象彼此相似。称物理现象彼此相似。彼此相似的物理现象，其对应的同名特征数必彼此相似的物理现象，其对应的同名特征数必定相等。定相等。工程上实用的计算对流传热系数工程上实用的计算对流传热系数h h的各种公式，的各种公式，主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确
12、定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实验测量获得相应的参数。验测量获得相应的参数。5.45.4 特征数方程特征数方程对流传热常用的特征数（稳态，单相）对流传热常用的特征数（稳态，单相）1. 1. 努塞尔数努塞尔数NuNu2. 2. 雷诺数雷诺数ReRe1cfcflhlNuh对流层导热热阻对流层导热热阻对流传热热阻对流传热热阻Rec cc cV lV l惯性力惯性力粘性力粘性力5.45.4 特征数方程特征数方程3. 3. 格拉晓夫数格拉晓夫数GrGr4. 4. 普朗特数普朗特数PrPr32VcgtlGr浮升力浮升力 惯性力惯性力粘性力粘性力 粘性
13、力粘性力Prva动量扩散能力动量扩散能力热量扩散能力热量扩散能力5.45.4 特征数方程特征数方程对流传热常用特征数方程对流传热常用特征数方程流体流速较小，自然对流和强迫对流共存流体流速较小，自然对流和强迫对流共存纯强迫对流纯强迫对流纯自然对流纯自然对流统一形式：统一形式：Re,Pr,NufGrRe,PrNufPr,NufGrRe PrnmsNuCGr5.45.4 特征数方程特征数方程对流传热的三大特征量对流传热的三大特征量确定特征数中确定特征数中某些参数的量某些参数的量1. 1.特征温度特征温度流体温度流体温度热边界层平均温度热边界层平均温度壁面温度壁面温度 2. 2.特征尺寸特征尺寸3.
14、3.特征流速特征流速ctclcv5.45.4 特征数方程特征数方程 实验数据的整理实验数据的整理以稳态单相强迫对流为例：以稳态单相强迫对流为例：对同一流体实验，控制温度，使对同一流体实验，控制温度，使PrPr不变，在不同不变，在不同的的ReRe下，得到下，得到NuNu，利用对数关系确定方程中的系，利用对数关系确定方程中的系数。数。24Re,PrNufRe PrnmNuC特征数总结特征数总结 毕渥数（毕渥数（BiBi） 傅里叶数（傅里叶数（FoFo）251sslhlBih固体内部导热热阻固体内部导热热阻外部传热热阻外部传热热阻allaFo22非稳态导热时间非稳态导热时间边界热扰动经边界热扰动经 距离扩距离扩散到散到 面积上所需时间面积上所需时间l2l特征数总结特征数总结 雷诺数（雷诺数（ReRe） 普朗特数（普朗特数（PrPr）26Pra动量扩散能力动量扩散能力热量扩散能力热量扩散能力Rec cc cu lu l惯性力惯性力粘性力粘性力特征数总结特征数总结 努塞尔数（努塞尔数（NuNu） 格拉晓夫数格拉晓夫数 （GrGr）1cfcflhlNuh对流层导热热阻对流层导热热阻对流传热热阻对流传热热阻32VcgtlGr浮升力浮升力 惯性力惯性力粘性力粘性力 粘性力粘性力
