對流

Newton 冷卻定律陳述：從溫度為 T_s 的表面進入溫度為 T_f 的周遭環境流體之熱傳遞率的計算公式如下：

Q_convection = h A (T_s - T_f)

其中熱傳遞係數 h 使用的單位為 W/m².K 或 Btu/s.in².F。係數 h 並非熱力學屬性。此為流體狀態以及流體條件間的簡化關係式，因此通常又稱為流體屬性。

對流與邊界層概念有關。邊界層係固定分子附近的表面及周遭環境中流體流動之間的轉換薄層。下圖顯示在平板上方的流動。

其中 u(x,y) 為 x-方向速度。平板向上到流體層外緣之間的範圍 (於 99% 自由流速度時定義) 稱為流體邊界層厚度 δ(x)。

表面溫度到周遭環境溫度之間的溫度轉換也會出現類似的圖形。下圖為溫度變化示意圖。請注意，熱邊界層厚度不一定會與流體邊界層厚度相同。構成普朗特數的流體屬性規範兩種邊界層之間的相對大小。當普朗特數 (Pr) 為 1 時，表示兩邊界層有相同的行為。

穿透邊界層的熱傳遞實際機制為，穿透近壁區固定流體的 Y-方向傳導會等於邊界層到流體的對流率。這可以下列方程式表示：

h A (T_s - T_f) = - k A (dT/dy)_s

因此在特定情況下，可透過測量熱傳遞率及溫差，或測量表面附近的溫度梯度及溫差，來推估對流係數。

測量邊界層內部的溫度梯度需要較高的精確度，所以通常是在研究實驗室中進行。許多手冊都包含不同模型組態的對流熱傳遞係數表列值。

下表列出一些典型的對流熱傳遞係數值：

普朗特數是與速度及熱邊界層厚度相關的參數，其計算公式如下：

其中 ν 為運動黏度，α 為熱擴散，ρ 為流體密度，κ 為流體熱傳導率，而 c_p 為固定壓力下的流體熱容量。

流體的運動黏度 ν 可提供相關資訊，說明動量藉由分子運動透過流體擴散。熱擴散 α 可提供關於流體中的熱擴散資訊。因此這兩個量值的比率可說明力矩及熱在流體中擴散的相對大小。