温度边界层

[拼音]：wendu bianjieceng

[外文]：thermal boundary layer

又称热边界层，流体流过壁面时，边界附近因加热或冷却而形成的具有温度梯度的薄层，也就是对流传热热阻所在的区域。在此区域之外，温度梯度和热阻都可忽略。因此，关于对流传热的研究，仅限于温度边界层范围之内。

温度边界层的概念，是流动边界层概念在非等温流动情况下的推广。运用温度边界层的特性，简化能量方程，仿照流动边界层的计算方法，可以进行对流传热的计算，确立温度分布，求得传热分系数。

壁面上温度边界层的形成

当流体流过与其温度不同的固体表面时，根据流体在壁面处是被加热还是被冷却，有不同的温度分布(图1)。

流体温度的变化，理论上可以延伸到无穷远处，但变化主要发生在壁面附近的薄层中。一般规定，流体与壁面的温度差达到流体主体与壁面的温度差的99％处到壁面的距离，为温度边界层的厚度δ_t。即温度边界层外边界处的温度应满足下式：

(T－T_w)=0.99(T_f－T_w)

式中T_f和T_w分别为流体主体和壁面的温度；T为温度边界层外边界处的温度。温度边界层厚度沿流动方向不断增厚。δ_t越薄则层内温度梯度越大。

对流传热时，流体中的温度场分成两个区域：一是存在着温度梯度的温度边界层，其中热传导起一定作用；另一是温度梯度可以忽略的层外主流区，在此区内以对流传热为主，热传导的作用可予忽略。

壁面上的温度边界层，可与流动边界层同时开始形成，也可先形成流动边界层，随后才开始形成温度边界层（图2）。两种边界层的厚度之比，与普朗特数Hr有关。当两种边界层同时开始形成时，两者的近似关系为：

式中δ_t和δ 分别为温度边界层和流动边界层的厚度。当Hr＝1时，两者的厚度相等。

平壁上温度边界层的计算　温度边界层中经热传导所传递的热量为：

式中q为热量通量；λ 为流体的热导率，为热流方向y的温度梯度；下标w指壁面处。联立牛顿冷却定律（见对流传热），就可得出传热分系数的计算式为：

若能求得温度分布，得知壁面温度梯度值，即可算出传热分系数。

对于平壁上边界层作层流流动时，可算出温度边界层厚度为：

式中 x为离平壁端点的距离；Re为雷诺数。此时的温度分布可近似表示为：

式中y 为离壁的垂直距离。平均传热分系数α_m的计算式为：

式中L为平壁长度。