1、6-4 自然對流換熱及實驗關(guān)聯(lián)式,自然對流：不依靠泵或風(fēng)機等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。一般地，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。,一、概述：,1、自然對流的機理：流體沿壁面流動完全是因為壁面與流體之間存在溫差，靠近壁面一層流體受熱，密度減小，向上運動，冷流體來補充，因而產(chǎn)生浮升力，這樣造成流體的運動而不需要外力。所以，壁面與流體之間的溫差是流體產(chǎn)生自然對流和換熱的根本原因。,2、自然對流的特點：a)如圖豎直放置的熱壁與冷流體接觸，在近壁處會形成溫度邊界層和速度邊界層且, t在貼壁處由于粘性的作用，速度為零，在邊界層外緣因沒有溫差，速度為零，速度分布具有兩頭小，中

2、間大的形式。,b) 邊界層中的溫度分布沿y方向單值下降。,自然對流亦有層流和湍流之分。 層流時，換熱熱阻主要取決于薄層的厚度。 旺盛湍流時，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量。,c) 流體沿壁面的流動，開始為層流，隨著流體沿壁面的上升，邊界層加厚，流動由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，換熱系數(shù)隨高度變化，在層流段hx隨邊界層增厚而減小，在過渡區(qū)hx開始增加，旺盛紊流， hx基本不變。,自然對流換熱可分成大空間和有限空間兩類。 大空間自然對流：流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。反之為小空間自然對流。 如圖兩個熱豎壁。底部封閉，只要 底部開口時，只要 壁面換熱就可按大空間自然對流處理。（大空間的相對性）,3、

3、自然對流分類,4、數(shù)學(xué)描述與準則方程：,連續(xù)性方程：,能量方程：,動量方程：,為體積膨脹系數(shù)，理想氣體,為過余溫度,為浮升力，是邊界層內(nèi)外不同溫度下流體的重力差。,在物理上， 數(shù)是浮升力/粘滯力的比值。 數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大。,利用相似分析方法，可導(dǎo)得自然對流時的準則數(shù),稱為格拉曉夫數(shù)。它完全由單值性條件給出的物理量組成，所以是已定準則。,在自然對流中，用來判別流態(tài)用的是Gr數(shù)或GrPr的乘積。,雷利數(shù),層流,過渡,紊流,在本課程中用Gr數(shù)判別流態(tài)。,一. 大空間自然對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式,1）由實驗可知：氣體自然對流關(guān)聯(lián)式為：,大空間自然對流中，除了溫差、物性影響外，形狀及位置也很

4、有關(guān)系。如豎圓柱的直徑比邊界層的厚度大很多時，可認為邊界層的發(fā)展與表面曲率無關(guān)，將圓柱視為豎板。而圓柱直徑很小時，卻不能視為豎板。,式中 c 和 n 查表512,定性溫度為：,數(shù)中的,定性尺寸為：豎壁和豎圓柱取高；橫圓柱取外徑D,注：豎圓柱按上表與豎壁用同一個關(guān)聯(lián)式只限于以下情況：,2）若常熱流邊界條件下的自然對流，往往采用下面方便的專用形式： 式中：定性溫度取平均溫度 ，特征長度對矩形取短邊長。 按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。,這里流動比較復(fù)雜，不能套用層流及湍流的分類。,3）若流體為液體，當溫壓較大時上關(guān)聯(lián)式進行修正：,物性變化修正因子，查有關(guān)資料。,4）當已知熱流密度q而要計算局部

5、換熱系數(shù)，就要用到局部關(guān)聯(lián)式，下式為豎板在層流條件下的局部關(guān)聯(lián)式,定性溫度為： 若tw未知，先假設(shè)進行試算h，再校核假定值。,適用范圍：,5）空氣在橫圓柱外自然對流的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)式：,適用范圍：,定性溫度為：,無論是常壁溫還是常熱流密度，自然對流紊流時的換熱規(guī)律都表明換熱系數(shù) h 是與特性尺度無關(guān)的常量。Why? 故在進行模型實驗時，只需保證處于紊流狀態(tài)，而對模型尺寸沒有任何要求，稱之為自摸區(qū)。,二. 自然對流與強制對流并存的混合對流,在實際對流問題中總是自然對流與強制對流相混合.因為有溫差才能換熱，而有溫差就有自然對流，因而受迫對流中必然存在自然對流。在分析計算時可簡化。,強制對流，主要是慣性力

6、起作用；自然對流，主要是浮升力起作用，在處理問題時，是否忽略自然對流或強迫對流取決于浮升力與慣性力的比值。,一般認為：,時，自然對流的影響不能忽略,而 時，可以忽略強制對流的影響。,自然對流對總換熱量的影響低于10的作為純強制對流； 強制對流對總換熱量的影響低于10的作為純自然對流； 這兩部分都不包括的中區(qū)域為混合對流。,上圖為流動分區(qū)圖。其中 數(shù)根據(jù)管內(nèi)徑 及 計算。,混合對流的實驗關(guān)聯(lián)式這里不討論。 推薦一個簡單的估算方法： 式中： 為混合對流時的 數(shù)， 而 、 則為按給定條件分別用強制對流及自然對流準則式計算的結(jié)果。 兩種流動方向相同時取正號，相反時取負號。 n之值常取為3。,例：置于大

7、氣中的油冷器，外壁具有垂直的矩形肋片，肋寬2m，肋高0.8m，肋壁溫度85，空氣溫度15，試計算每一片肋片的散熱量。,解：定性溫度 查物性參數(shù),查表512,一片散熱量：,紊流,例：水平放置的蒸汽管道，絕熱層外徑D=583mm，壁溫tw=48，周圍空氣的溫度23，試計算絕熱層外的對流換熱系數(shù)h。,解：定性溫度 查物性參數(shù),查表512,層流,總結(jié)：計算步驟,1）依據(jù)定性溫度查物性 2）判別流態(tài) 3）選擇合適的公式求Nu 4）計算 或 等,思考題： 1.對流換熱是如何分類的? 影響對流換熱的主要物理因素. 2.對流換熱問題的數(shù)學(xué)描寫中包括那些方程? 3.自然對流和強制對流在數(shù)學(xué)方程的描述上有何本質(zhì)區(qū)

8、別? 4.從流體的溫度場分布可以求出對流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯?數(shù)), 其物理機理和數(shù)學(xué)方法是什么? 5.速度邊界層和溫度邊界層的物理意義和數(shù)學(xué)定義. 6.管外流和管內(nèi)流的速度邊界層有何區(qū)別? 7.為什么說層流對流換熱系數(shù)基本取決與速度邊界層的厚度? 8.為什么溫度邊界層厚度取決于速度邊界層的厚度? 9.對十分長的管路, 為什么在定性上可以判斷管路內(nèi)層流 對流換熱系數(shù)是常數(shù)?,11.如何使用邊界層理論簡化對流換熱微分方程組? 12.如何將邊界層對流換熱微分方程組轉(zhuǎn)化為無量綱形式? 13.為什么說對強制對流換熱問題, 總可以有: Nu=f(Re,Pr) 的數(shù)學(xué)方程形式? 14.什么是特性長度和定性溫度? 選取特性長度的原則是什么? 15.對管內(nèi)流和管外流, Re準則數(shù)中的特性長度的取法是不一 樣的. 說明其物理原因. 16.當量水利直徑的定義和計算方法. 17.什么是相似原理? 判斷物理相似的條件? 相似原理在工程 中有什么作用?,22.使用定理推導(dǎo)準則關(guān)系式的基本方法. 23.Nu, Re, Pr, Gr準則數(shù)的物理意義. 24.管內(nèi)強制對流換熱系數(shù)及換熱量的計算方法.如何確定 特性長度和定性溫度? 25.流體橫瓊單管和管束時對流換熱的計算方法. 26.豎壁附近自然對流的溫度分布,速度分布的特點? 換熱 系數(shù)的特