对流换热系数

概述

对流换热是固体表面与运动流体（液体或气体）之间的热交换过程。此传递速率由牛顿冷却定律控制，并受流体性质、流动状态（层流或湍流）、表面几何形状和流速的影响。

关键公式

牛顿冷却定律计算总传热速率。

对流系数 (h) 通常由涉及努塞尔数（Nu）、雷诺数（Re）和普朗特数（Pr）等无量纲数的经验关联式确定。平板强制对流的常见形式为：

$Nu = C \cdot Re^m \cdot Pr^n$

其中 h = (Nu * k) / L，k 为流体的导热系数，L 为特征长度。

变量

典型对流系数

h 的值变化很大。将这些值作为初始设计的粗略数量级估算。

强制对流和自然对流

当流体流动由泵、风机或搅拌器等外力引起时，发生强制对流。自然或自由对流由流体中温度变化引起的密度差产生的浮力造成。牛顿首先描述了通过对流的单位表面传热，该关系被称为牛顿冷却定律。

示例 — 对流换热

对于表面面积 60 m2、对流系数 8 W/(m2 K)、壁面与周围空气温差 12 K 的外墙：

$Q = h A \Delta T = 8 \times 60 \times 12 = 5760 \text{ W}$

因此，传热速率为从较暖表面到较冷空气的 5.76 kW。当已知代表性对流系数时，同样的关系适用于冷却盘管、加热板、工艺容器和管道表面。

单位换算器

空气流动传热系数图

对于空气流动，来源页面给出经验近似：

$h_{c,W} = 1.16(10.45 - v + 10v^{1/2})$

其中 $v$ 为物体表面与空气之间的相对速度（m/s）。该方程为经验公式，大约适用于 2 至 20 m/s 的速度。

对流换热系数图

原始 convective_heat_transfer_chart.png 图像以交互式数据表示如下。由于来源图形是范围图，每个过程都绘制了系数的下限和上限。

还原的原始源表

以下表格还原自原始来源页面，以保留完整的参考数据。缓存的来源页面包含无工程行的共享搜索/布局表；实质性的对流数据保留在上方的系数 DataTable 和 InteractiveChart 中。

原始源图

以下原始来源图像予以保留，以免丢失视觉参考资料。当图像包含图表或表格数据时，其提取值已呈现在页面的表格、计算器或交互式图表中；其余图像保留为视觉来源参考。

工程要点

• 牛顿冷却定律是定义，而非预测定律。任何分析的复杂部分在于确定适当的 h 值。
• 流动状态至关重要。 湍流通常产生比层流高得多的 h 值。
• 流体性质（密度、粘度、比热、导热系数）随温度变化。 关联式通常使用在膜温下评估的性质，膜温是表面和自由流温度的平均值。
• 表面粗糙度、方向和边界层发展显著影响性能。
• 相变（沸腾、冷凝）会大幅提高传热系数，需要专门的关联式。

参考资料

• 原始来源：传热 — 对流