对流换热定义

热对流(Heat convection)是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。工程上所说的对流传热一般特指流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程。

形成对流的原因有两种：流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。

实验观察发现，在对流换热条件下，主流与壁面之间存在温度差。在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈的变化；而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎等于零。因此，可以将边界层概念推广到温度场中。固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层（热边界层），其厚度记为δ。对于外掠平板的对流换热，类似于速度边界层得定义，传热学中一般也将达到来流过余温度99%的流层处，定义为δ的外边界。除液态金属及高粘性的流体外，热边界层的厚度δ在数量级上是个与运动边界层厚度δ相当的小量。于是对流换热问题的温度场也可以分为两个区域：热边界区和主流区。在主流区，流体中温度变化率可视为零，这样就可把研究的热量传递的区域集中到热边界层之内。

由于在贴壁面处流体受到粘性的作用，没有相对于壁面的流动，称为壁面无滑移条件。因此，由壁面无滑移条件可知，在极薄的贴壁流体流层中，热量只能以导热的方式进行传递。将傅里叶定律用于贴壁面流体层可得

将牛顿冷却公式q=h△t与上式联立求解可得以下的换热微分方程：

上式表面，表面传热系数h的求解依赖于流体温度场的求解。

把微分方程组的积分求解过程变换成相应的差分方程组的代数求解过程进行求解。这种解法的计算工作量非常大，但由于计算机的应用和各种新的实验技术的配合，这一方法的研究获得迅速发展，并正在形成传热学的一个新的分支──数值计算传热学。

通过实验求出h与诸影响因素之间的定量关系式。实验求解法是处理工程实际中复杂的对流换热问题的重要手段，也是其他求解方法的检验标准。

实验求解法是在相似理论的指导下，对求解的问题进行相似分析，求出与问题有关的无量纲数（由相应的物理参数组成）。每个无量纲数都具有一定的物理意义。与对流换热有关的最常见的无量纲数包括：①努塞尔数Nu=hl/k,式中l为特征长度,h为传热系数,k为固体的热导率。它反映换热表面的温度梯度;②雷诺数Re=vl/v，式中v和v分别为流速的特征速度和运动粘度。它反映粘性对流动的影响；③格拉晓夫数式中γ、g和Δt分别为流体的体积膨胀系数、重力加速度和固体表面与流体之间的温度差。它反映浮升力对流动的影响；④普朗特数式中cp为定压比热容；η为动力粘度。它反映流体物性对流动中换热的影响。从数学上可以证明，任何物理量之间的关系都可以转换成相应的无量纲数之间的关系。因此传热系数h与其影响因素之间的关系可以表示成Nu与其他无量纲数之间的关系:对于受迫对流换热Nu=f(Re，Pr)；对于自然对流换热Nu=f(Gr,Pr)。在这种关系式中，作为独立变量的数目大大减少，有利于实验数据的综合整理。在实验求解时，可以根据相似规律或改变模型尺寸，或更换流体种类进行研究。这种实验称为模化实验。

也称换热系数。对流换热的强度依据牛顿冷却定律，其基本计算公式是：式中q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量,称作热流密度；T_w、T_f分别为固体表面和流体的温度；h称为传热系数,它表示在单位面积的固体表面上，当流体与固体表面之间的温度差为1K时，每单位时间内所传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱,如上所述，它与影响换热过程的诸因素有关，并且可以在很大的范围内变化，所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式。它既没有揭示影响对流换热的诸因素与h之间的内在联系,也没有给工程计算带来任何实质性的简化，只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了。因此，在工程传热计算中，主要的任务是计算h。计算传热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法。

影响对流换热的因素是影响流动和影响流体中热量传递因素的综合作用。主要有以下五个方面。

（1）流体流动的起因

由于流动的起因不同，对流可以分为强制对流和自然对流换热两大类。两种流动的成因不同，流体中的速度场有差别，所以换热规律也不一样。

（2）流体有无相变

当流体没有相变时对流换热中的热量交换是由于流体的显热变化而实现的；而在有相变的换热过程（如沸腾或凝结），流体的相变潜热往往起着主要作用，因而换热规律与无相变时不同。

（3）流体的流动状态（单相流动）

层流时流体微团沿着主流方向作有规律的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生强烈的混合，因而换热能力不同。

（4）流体的物性条件

流体的密度、动力黏度、导热率等不仅对流体的流动有影响，而且对流体中热量传递也有影响，因此流体的物理性质对流体换热有着很大的影响。

（5）换热表面的几何因素

这里的几何因素指换热面的形状、大小、换热表面与流体运动的相对方向及换热面的状态（光滑或粗糙）。

(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。

(2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。

对流换热是指流体与固体表面的热量传输。对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象。对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。例如：家用空调换热器铝翅片既有导热又和空气进行对流换热 实际流体都是有粘性的，由于粘性的作用，靠近固体壁面的流体滞止，流体力学中称为无滑移边界条件。壁面与流体间的换热必须经过这一个边界层，而穿过静止流体的热量传递方式只能是导热。

它又可分成大空间内自然对流换热和有限空间内自然对流换热两种。前者的无量纲关系式常表达为式中下角标m表示无量纲数中的物性参数是根据温度tm=(to tf)/2确定的，to和tf分别为固体表面和液体的温度；系数C和指数n的数值随固体表面的形状、大小和位置的不同而异。

有限空间内自然对流换热的关系式因空间的几何形状、大小和放置方位不同而异，所以公式繁多。在计算时须根据不同的问题查阅有关手册。

根据边界层形成和发展情况的不同，可以分成内部流动和外掠流动两种。根据流动状况的不同，这两种流动又各有层流和湍流(紊流)之分。对于不同流动方式的对流换热问题，须选用相应的无量纲数关系式来计算。例如,对于管内湍流换热，在10⁴≤Re_f ≤1.2×10⁵、0.6≤Pr_f≤120、流体与固体表面的温差不大和壁面光滑的直管道等条件下，可以选用下式式中下角标 f表示相应无量纲数中的有关物性参数都是根据t_f来确定的。2100433B

通常对流换热的研究方法分以下四种：

分析法。在相应描述边界条件和一类对流换热的数学问题求解偏微分方程取得解析速度场和温度场。由于数学计算条件的限制，目前对于个别简单的求解问题可以分析对流换热系数，如二维边界层的层流流动。当然，分析法的最大优点是能深刻揭示物理量之间的依变关系，也是其他评价方法的基础理论依据。

实验法。实验法依然是求解对流换热问题的重要的方法，由于对流换热问题是个复杂动态的过程，尤其是对于在真实环境下建筑外围护结构的复杂换热情况，进行一个准确的实验方案是解决这类复杂问题的唯一途径。

比拟法。以能量守恒和动量守恒定律为基础，建立换热系数与阻力系数之间的关系式，再利用测定的阻力系数计算出表面传热系数。在传热学早期发展中，这一方法曾是计算湍流换热等问题的求解方法。随着实验设备的完善、测试技术的迅速发展以及计算机对于流体的分析日益强大，近年来这一方法也使用较少。

数值法。随着计算机应用数值计算的普及和发展，对流换热过程的数值分析逐渐成为一种主要的求解方法，其结果可信性也逐步提高。数值模拟方法类似于用计算机来做有针对性的实验，可以形象再现流体在大环境下的运动情况，能更加有效地解决实验不能解决的问题，对于分析问题有很大帮助。

在自然界、人类生活和生产活动中存在大量的对流换热现象。研究对流换热系数，我们先要理解对流换热的定义。对流换热是指固体壁面与环境流体直接接触时所发生的热量传递过程，它发生在紧靠固体表面的边界层中。如果流体的流动是外力推动而形成的，则由此引起的对流换热为强迫对流；如果流体的流动是有紧靠热表面的受热流体的浮力运动而引起，则这种对流换热称为自然对流。为了便于分析研究，通常总把传热现象看作是热传导、热对流和热辐射三种最基本形式在其体场合下的不同组合。热传导，是指物体各部分之间没有相对位移或者不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。由于直接接触而发生能量传递的现象。

在不同的情况下，传热强度会发生成倍直至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

对流换热系数的大致量级（单位：W/(m2*K)） ：

空气自然对流 5 ～ 25

气体强制对流 20 ～ 300 【原文是20-100，查询了很多资料应该是20-300】

水的自然对流 200 ～1000

水的强制对流 1000 ～ 15000

油类的强制对流 50 ～ 1500

水蒸气的冷凝 5000 ～ 15000

有机蒸汽的冷凝 500 ～ 2000

水的沸腾 2500 ～ 250002100433B