表面对流换热系数

表面对流换热系数是指表面对流换热系数表征流体与固体表面之间对流换热性能的参数。即物体表面与附近空气温差为1K(1℃)作用下，单位时间在单位面积上通过对流与附近空气交换的热量，单位为W/(m²K)。其值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位及空气的流速等密切相关。表面附近的气流速度愈大，其表面对流换热系数也愈大。如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或得热）量也较大。对流换热系数一般用经验公式计算1。

简介随着城市人口不断增加和城市用地的逐步减少，高层建筑已成为新建建筑的主流，各大中城市高层建筑鳞次栉比。对于高层建筑而言，同一立面沿高度方向风速可能发生很大的变化，加之风向的影响，使得高层建筑表面对流换热系数与低层或多层建筑可能存在很大的差异。

建筑表面长时间暴露在随时间不断随机变化的环境条件下，是一个复杂并且有很多因素干扰的动态过程，使得建筑表面在测试和推算对流换热系数时较难准确得到。到目前为止，还没有系统的研究建筑外围护结构的对流换热系数2。

对流换热的基本概念在自然界、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。

对流换热系数研究的方法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。

对流换热系数的研究思路及步骤建筑外围护结构的换热过程属于复杂的过程。受到太阳短波辐射、大气长波辐射以及围护结构和其周围物体之间的辐射换热的共同作用；有自由空气与建筑表面间的对流换热；还有水蒸发于建筑表面所引起相变带来的潜热换热。当计算换热系数时，理论上是要把上述三类传热现象全部反映出来。

围护结构表面对流换热系数通常，房屋的屋顶、墙体、地板等部分与周围空气接触进行热交换，其热量以导热和对流的方式传递。通过流体流动带走或者引入热量而发生热量传递的现象称为对流换热。对流换热的强弱取决于固体表面的形状、粗糙度、倾斜度和物理性质，流体的状态，以及固体表面与流体间的温差等诸多因素的影响。由于影响对流换热的因素太多，故常用无因次解析法来表示换热系数。对于建筑物来说，其周围的流体通常都是空气，而且大多是处于常温状态下，所以在实用上可以采用以实验方法求得的经验公式。当强制进行空气流动，传热的流速会受较大的影响，而且还要考虑墙壁表面的粗糙度，粗糙表面的热传递将对热交换量影响更大2。

本词条内容贡献者为:

黄头生 - 副教授 - 华北电力大学