对流换热

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对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。
中文名
对流换热
外文名
Convection
第一条
基本简介
第二条
特点
第三条
因素

对流换热基本简介

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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,它是依靠流体质点的移动进行热量传递的,与流体的流动情况密切相关。当流体作层流流动时,在垂直于流体流动方向上的热量传递,主要以热传导(亦有较弱的自然对流)的方式进行。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[1]  ,下图为铝翅片对流换热云图。

对流换热特点

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(1)导热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

对流换热因素

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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)。

对流换热传热系数

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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:
公式 公式
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TW、Tf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。

对流换热实验求解

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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特征长度,h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vv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
公式 公式
式中γg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
公式 公式
式中cp为定压比热容η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(RePr);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。

对流换热数学求解

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利用数学分析的方法直接求解微分方程组。由于方程组很复杂,这种方法只能求解极个别非常简单的对流换热问题(如光滑圆管内层流流动时的对流换热),尚难用于求解复杂的实际问题。20世纪初,德国物理学家L.普朗特提出边界层理论。他利用边界层极薄的特性的简化微分方程组,从而建立了可以数学求解的分析理论,开拓了对流换热向理论分析方向发展的道路,计算机的应用又显著扩大了解题能力。

对流换热数值分析

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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。

对流换热微分方程

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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
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。

对流换热数学描述

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为了简化分析,对于影响对流换热问题的主要因素,在推导时作下列简化假设:①流体为连续介质;②流动是二维的;③流体为不可压缩的牛顿流体;④流体物性为常数;⑤忽略耗散热。可以推导出如下的对流换热微分方程:
上式中左边第一项是非稳态项,表示温度随时间的变化率;第二项与第三项称为对流项,表示由于流动产生的热量传递方程右边称为扩散项,表示由于流体导热产生的热量的传递。

对流换热热边界层

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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。

对流换热换热形式

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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。

对流换热对流换热

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它又可分成大空间内自然对流换热和有限空间自然对流换热两种。前者的无量纲关系式常表达为
公式 公式
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。

对流换热受迫对流

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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≤Ref ≤1.2×105、0.6≤Prf≤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
公式 公式
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tf来确定的。
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参考资料
  • 1.    《开窗翅片和光管的CFD研究》 英文期刊 International Journal of Refrigeration 27 (2004) 422–432
词条标签:
理学