封闭三角形通道内热管的自然对流换热研究

第23卷第2期 邓斌等：来流不均匀性对冷凝器性能影响的数值研究 ·83· 文章编号：1671-6612（2009）03-083-03

封闭三角形通道内热管的自然对流换热研究

朱义成 王茂盛

（山东建筑大学热能工程学院 济南 250101）

【摘 要】 论述和分析了封闭腔内自然对流换热的研究进展，运用Fluent 软件对封闭三角形通道内的热管与

壁面的二维散热问题进行了数值模拟，模拟了封闭腔内空气自然对流换热的温度场和速度场。

【关键词】 数值模拟；封闭腔；自然对流换热；速度场；温度场 中图分类号 TU83 文献标识码 B

Study of Natural Convection of Closed triangle channel heat pipe

Zhu Yicheng Wang Maosheng

(School of Thermal Energy Engineering, Shandong Architectural University, Jinan, 250101)

【Abstract 】 This article has discussed and analyzed the research status of natural convection in a closed cavity; a numerical simulation of two dimensional heat dissipation is made by the software of Fluent in closed triangle channel heat pipe and the wall; and then get the temperature and velocity field .

【Keywords 】 numerical simulation; closed cavity; natural convection; velocity field; temperature field

作者简介：朱义成（1985-），男，在读硕士研究生。 收稿日期：2009-01-07

0 引言

封闭腔的流动与换热在工程领域有着非常广泛的应用。比如太阳能集热器、空气制冷设备、电子元件的散热、绕核反应器中心的空气腔，建筑物的绝热、动力电站封闭母线及旋转电机的散热等，因而日益得到重视。同时，封闭腔的自然对流换热问题也是计算流体力学与数值传热学研究的经典课题之一，因此，己经有多人对此问题进行了实验研究以及运用各种数值方法来对此进行数值计算，或者用它来验证算法与程序。

对于封闭腔内自然对流换热的问题，国外De Vahl Davis G [1]最旱发表了封闭方腔自然对流换热问题的基准解。

对于湍流数值计算的准确与否，最关键的是壁面边界层的处理。Barakos G 与Mitsoulis E 两人[2]发表了应用壁面函数法对方腔的层流与湍流自然对流换热问题进行计算的报异。他们所采用的方法是一方面在壁面附近设置比较密集的节点，同时对速度与温度不采用对数分布率来确定壁面上的当量扩散系数，而直接用分子扩散系数之值。这样他们计算的方腔内空气在Ra=108，109，1010时的平均Nu 数与Henkes R A W M ，der Vlugt FF ，Hoogen- doom C J [3]应用低Re 数模型计算的结果相当一致，但如果壁面上的当量扩散系数采用按温度的对数分布率得出当量值，则计算所得的Nu 数远远高于按低Re 数模型计算的结果。

国内对于封闭腔内自然对流换热的问题，秦国良[4]利用谱元方法也就是结合谱方法的精度与有限元的思想。考虑求解非定常问题。时间离散采用McLaughlin 和Orszag 提出的时间分裂法，非线性项采用4阶Runge-Kutta 法，扩散项采用Crank- Nicholson 半隐方法，对不可压缩Naive-Stokes 方程和能量方程进行了求解，与文献[1,2]中基准解比较，获得了较为一致的结果。

董韶峰等人[5]利用涡量一流函数方程对非正方形的知形空腔内的自然对流换热进行了数值计

第23卷第3期 2009年6月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning V ol.23 No.3 Jun. 2009.83～85

·84·制冷与空调 2009年

算，结果表明不同的高宽比例对自然对流换热有很大的影响。该文还对Ra=104时放置不同角度的封闭腔进行了数值计算，揭示了重力作用下不同角度时的自然对流换热变化，发现在某一倾斜角度?（45°左右)时，平均换热系数Nu ave存在极大值。

李光正等人在文献[6]中采用均匀网格剖分求解非定常流函数——涡量方程，对流函数的一阶导数项(速度)采用四阶精度的Hermitian公式，对流项由一般二阶精度的中心差分提高到四阶精度离散差分，包含温度在内的离散方程组采用ADI迭代方法求得定常解。在文献[7]中采用非等距网格剖分求解非定常流函数一涡量方程。文献[6,7]采用的方法一般限于一维情况。文献[8]在文献[6,7]的基础上，利用原始变量法求解封闭腔内自然对流换热问题。对求解域采用非等距交错网格剖分，利用泰勒级数于网格点展开，取一阶精度进行方程各项的离散，采用SIMPLE方法对压力及压力修正进行求解。不同瑞利数（Ra）条件下的数值试验显示，该数值方法物理概念清晰，计算稳定。可通过调节网格的疏密等方法，达到改善求解的收敛及提高求解的精度等目的。

黄建春等人[9]对正方形空腔内的层流自然对流换热进行了数值模拟，用SIMPLE算法和乘方格式对该问题(Ra=1×103~ 1×106)进行了详细的数值计算。根据计算结果，总结出封闭腔内层流自然对流换热的变化规律，提出了导热占主导地位的层流流动和导热与对流共同作用的层流流动的分界点(Ra=5×104)，同时得出两个区域的平均努塞尔数的计算公式。

1 问题描述及数学模型

1.1 问题描述

图1 封闭腔的物理模型

如图1所示，热管道置于三角形通道内，通道内为空气，管道壁温和通道内表面温度均保持恒定，忽略辐射换热。

1.2 控制方程

封闭腔内自然对流的控制方程为：

连续性方程：

(()

v

y

ρρ

??

+=

??

u)

x

（1）动量方程：

22

22

1

()

u p u u

v

x y x x y

μ

ρ

?????

+=?++

?????

u（2）

22

22

1

()() v v p v v

v g T T x y y x y

μρβ

ρ

?????

+=?+++??????

u

（3）能量方程：

22

22

()

T T u u

v a

x y x y

????

+=+

????

u（4）式中：u、v、P、T分别为x、y方向速度分量、压力和温度；β，g，μ，a,ρ分别为热膨胀系数、重力加速度、粘性系数、热扩散系数和密度。

本例中热管半径为1cm，三角形通道边长为4cm，T H=320K, T L=290K，其它参数采用常温下空气参数。

2 求解方法

2.1 网格的划分

本文利用GAMBIT对图1所示的封闭腔进行网格剖分，由于该问题对壁面的敏感性，采用了非均匀网格，靠近壁面处网格为0. 01，然后以1. 1倍的速度逐渐增加接近0. 1，之后就用

0. 1的均布网格，这样既可以提高计算精度，又不致于大幅度增加计算负荷。如图2所示：

图2 封闭腔网格的划分

2.2 数学模型的选择

在FLUENT软件中，使用分离求解器求解控制方程组。空气的物性设置密度使用

第23卷第3期 朱义成，等：封闭三角形通道内热管的自然对流换热研究 ·85·

incompressible-ideal-gas ，其它属性不变，流体壁面无滑移，考虑重力影响。

方程的求解是基于CFD 中的有限容积法进行离散，选取标准的层流模型，控制方程的求解采用SIMPLE 算法，边界为固定壁温。

3 结果分析

图3 封闭腔温度分布图

图4 封闭腔速度矢量图

图5 封闭腔压力分布图

从图3可见，等温线在靠近热管处和左右两侧

壁面出较密集，其它地方较稀疏，说明对于换热的影响是由温差和重力作用下的自然对流。对于速度矢量图，从中可以看出在重力和温度的影响下，封闭三角形空腔内形成一系列速度流场，循环流动。

由于重力的原因和温度的原因，形成的压力分布图如图5所示，顶端的压力最高。

4 结论

本文运用Fluent 软件对封闭三角形通道内的热管与壁面的二维散热问题进行了数值模拟，模拟了封闭腔内空气自然对流换热的温度场和速度场。得到了封闭空间的自然对流模型。通过在壁面处运用边界条件划分网格来满足精度的要求。本文研究表明，采用Fluent 软件通过数值模拟方法不仅能获得封闭腔自然对流换热的结果，还能研究其换热规律，是解决封闭腔自然对流换热的有效工具。

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版社, 2004.

4-5_对流传热系数关联式

知识点4－5 对流传热系数关联式 【学习指导】 1．学习目的 通过本知识点的学习，了解影响对流传热系数的因素，掌握因次分析法，并能根据情况选择相应的对流传热系数关联式。理解流体有无相变化的对流传热系数相差较大的原因。 2．本知识点的重点 对流传热系数的影响因素及因次分析法。 3．本知识点的难点 因次分析法。 4．应完成的习题 4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。 4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。已知α为下 列变量的函数： 4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内湍流流动。压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。假设管壁和污垢热阻可忽略。 4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×2的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。

4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。换热器的热损失可以忽略。 4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。列管由直径为ф25×2.5mm的钢管组成。当水的流速为1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数为2115W/(m2.℃)；若其它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得系数为2660 W/(m2.℃)。试求蒸汽冷凝的传热系数。假设污垢热阻可忽略。 对流传热速率方程虽然形式简单，实际是将对流传热的复杂性和计算上的困难转移到对流传热系数之中，因此对流传热系数的计算成为解决对流传热的关键。 求算对流传热系数的方法有两种：即理论方法和实验方法。前者是通过对各类对流传热现象进行理论分析，建立描述对流传热现象的方程组，然后用数学分析的方法求解。由于过程的复杂性，目前对一些较为简单的对流传热现象可以用数学方法求解。后者是结合实验建立关联式，对于工程上遇到的对流传热问题仍依赖于实验方法。 一、影响对流传热系数的因素 由对流传热的机理分析可知，对流传热系数决定于热边界层内的温度梯度。而温度梯度或热边界层的厚度与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。 1．流体的种类和相变化的情况 液体、气体和蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。本书只限于讨论牛顿型流体的对流传热系数。 流体有无相变化，对传热有不同的影响，后面将分别予以讨论。 2．流体的特性

自然对流换热试验

自然对流换热实验报告 一、实验目的 （1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。 （2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。 （3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出 Pr Gr 的范围。 二、实验原理 对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。即 r h c Φ-Φ=Φ （W ） 式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；??? ???????? ??-??? ??=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以 ? ?????????? ??-??? ??---=4 f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UI h ε[]）（K /W ?m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，） （420K m /W 67.5?=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2?m 。 当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。 根据相似理论，自然对流换热的准则为 Pr),(Gr f Nr = 在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即 n Gr c Nr Pr)(= 式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。为

对流换热计算式

关系式 返回到上一层以下汇总了工程中最常见的几类对流换热问题的对流换热计算关系式，适用边界条件，已定准则的适用范围，特征尺寸与定性温度的选取方法。 一、掠过平板的强迫对流换热 应注意区分层流和湍流两种流态 ( 一般忽略过渡流段 ) ，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部 Nu 数和平均 Nu 数。 沿平板强迫对流换热准则数关联式汇总 注意：定性温度为边界层的平均温度，即。 二、管内强迫对流换热 (1) 流动状况不同于外部流动的情形，无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段，两者的长度差别很大。计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。 (2) 换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段，只有在流体的 Pr 数大致等于 1 的时候，两个边界层的入口段才重合。理解并准确把握两种典型边界条件 ( 恒壁温与恒热流 ) 下流体截面平均温

度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。 (3) 准则数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件，因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。还需要特别指出，绝大多数管内对流换热计算式 5f 对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用类比率关系式效果可能更好。下表汇总了不同流态和边界条件下管内强迫对流换热计算最常用的一些准则数关联式。 (4) 非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。 常热流 层流，充分发展段， 常壁温 层流，充分发展段， 充 - 充分发展段，气体， - 充分发展段，液体， ； 紊流，充分发展段，

沸腾换热计算式

沸腾换热计算式 沸腾换热计算式 (1)大容器饱和核态沸腾 前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。 对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为 (3-4) 按q=h△t的关系,上式也可转换成 (3-5) 以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K) p:沸腾绝对压力,Pa; △t:壁面过热度,℃; q:热流密度,W/m2。 基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式: (3-6) 式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K); C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数;

r:汽化潜热,J/kg; g:重力加速度,m/s2; Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l; μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s); ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3; γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m; s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=。 由实验确定的C wl值见表3-1。 表面-液体组合情况C wl 水-铜 烧焦的铜 抛光的铜 水-黄铜 水-铂 水-不锈钢 磨光并抛光的不锈 钢 化学腐蚀的不锈钢 机械抛光的不锈钢 苯-铬 乙醇-铬 表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值

圆管自然对流计算和模拟

水平管和竖直管自然对流计算汇总 1.计算工况表 温度工况 计算结果 100℃150℃200℃250℃300℃ 传热系数h () 2 W m K ?水平管7.958 9.115 10.045 10.803 11.527 竖直管 4.715 5.369 5.899 6.335 6.754 换热量φ W 水平管75.962 141.388 215.734 296.472 385.128 竖直管45.008 83.390 126.703 173.860 225.649 最大速度 max u m/s 水平管0.476 0.537 0.585 0.697 0.736 竖直管0.840 1.050 1.180 1.290 1.390 2.变化曲线图

圆管自然对流的计算和数值模拟 已知条件如图1所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自 然对流换热，圆管外径38 D mm =，长度1000 L mm =，空气温度20 T C ∞ =，恒壁 温条件100,150,200,250,300 w T C =，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换 热时的空气最大速度。 图1 一、数值计算 1.自然对流换热系数和换热量的计算 1)圆管水平放置计算 以壁温100 w T=℃为例，计算过程如下： 特征长度：0.038 D m =； 定性温度()() 21002060 m w t t t C ∞ =+=+=； 查空气物性：() 0.029W m K λ=?；-62 =20.110m ν?；Pr0.696 = 空气的体积膨胀系数：()()1 12731602731 v m t K α- =+=+= 格拉晓夫数Gr： 大空间自然对流的实验关联式为： ()Pr n Nu C Gr =（1-1）根据计算的格拉晓夫数Gr选择合适的常数C和n（表1）： 表1 式（1-1）中的常数C和n 加热表面形流动情况示流态系数C和指数n Gr数适用范围 ()() 33 5 262 9.81/333100200.038 = 3.210 20.110 v w g t t D Gr α ν ∞ - -??-? ==? ? （）

对流换热系数的确定.doc

对流换热系数的确定 核心提示：1.自然对流时的对流换热系数炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。2.强制对流时的对流换热系数(1)气流沿 1.自然对流时的对流换热系数 炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。 2.强制对流时的对流换热系数 (1)气流沿平面强制流动时气流沿平面流动时，烧结炉其对流换热系数可按表1-1的近似公式计算。 表1-1对流换热系数计算 vo=C4.65(m/s) x；o>4.65(m/s) 光滑表面a=5.58+4.25z'o a^V.Slvg78 轧制表面a-=5.81+4.25vo a=7.53vin. 粗糙表面o=6.16+4.49vo a=T.94vi78 气流沿长形工件强制流动时当加热长形工件时，循环空气对工件表面的对流换热系数可用下述近似公式计算 气流在通道内层流流动时气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的热导率，而与炉气的流速无关。 绝对黑体的概念 当物体受热后一部分热能转变为辐射能并以电磁波的形式向外放射，其波长从lfmi到若干m。各种不同波长的射线具有不同性质，可见光和红外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。各种物体由于原子结构和表面状态的不同，其辐射和吸收热射线的能力有明显差别。 当能量为Q的一束热射线投射到物体表面时，也和可见光一样，一部分能量Qa将被吸收，一部分能量Qr被反射，还有一部分能量Qu透射过物体(如图1-5)。按能量守恒定律则有

图1-5辐射能的吸收、反射和透过 如果A=l，则R=D=0，即辐射能全部被吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。 如果R=l，则A=D=0，即辐射能全部被反射，这种物体称绝对白体，简称白体。如果D= 1，则A=K=0，即辐射能全部被透过，这种物体称绝对透过体，简称透过体。 自然界中，黑体、白体和透过体是不存在的，它们都是假定的理想物体。对于一种实 际物体来说数值，不仅取决于物体的特性，还与表面状态、温度以及投射射线的波长等有关。为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔，此小孔即具有绝对黑体性质:所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔越接近黑体。当它们的面积比小于0.6%，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的吸收率A大于0.998，非常接近黑体。

对流换热与准则数

单相流体对流换热及准则关联式部分 返回一、基本概念 主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。 1、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性? 答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。 2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗? 答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。3、简述边界层理论的基本论点。 答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值； 边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大； 边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层； 流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）； 对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。 4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

对流换热公式汇总与分析..

对流换热公式汇总与分析 【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。 【关键词】对流换热 类型 公式 适用范围 对流换热的基本计算形式——牛顿冷却公式： )(f w t t h q -= )/(2m W 或2Am 上热流量 )(f w t t h -=Φ )(W 上式中表面传热系数h 最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即 ),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ= 综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表1所示。 表1典型换热类型 1. 受迫对流换热 1.1 内部流动 对流换热 无相变换热 受迫对流换热 内部流动换热 圆管内受迫流动 非圆形管内受迫流动 外部流动 外掠平板 外掠单管 外掠管束（光管；翅片管） 自然对流换热 无限空间 竖壁；竖管 横管 水平壁（上表面与下表面） 有限空间 夹层空间 混合对流换热 — — — — 受迫对流与自然对流并存 相变换热 凝结换热 垂直壁凝结换热 水平单圆管及管束外凝结换热 管内凝结换热 沸腾换热 大空间沸腾换热 管内沸腾换热（横管、竖管等）

1.1.1 圆管内受迫对流换热 (1)层流换热公式 西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为 14 .03/13/13/1)()(Pr Re 86.1w f f f f l d Nu μμ= 或写成 14 .03/1)()(86.1w f f f l d Pe Nu μμ= 式中引用了几何参数准则 l d ，以考虑进口段的影响。 适用范围：16700Pr 48.0<<，75.9)(0044.0<

最新对流换热公式汇总与分析

对流换热公式汇总与 分析

对流换热公式汇总与分析 【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。 【关键词】对流换热 类型 公式 适用范围 对流换热的基本计算形式——牛顿冷却公式： )(f w t t h q -= )/(2m W 或2Am 上热流量 )(f w t t h -=Φ )(W 上式中表面传热系数h 最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即 ),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ= 综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表1所示。

表1典型换热类型 1. 受迫对流换热 1.1 内部流动 1.1.1 圆管内受迫对流换热 (1)层流换热公式 西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为 14 .03 /13/13/1)() (Pr Re 86.1w f f f f l d Nu μμ= 或写成 14 .03/1)()(86.1w f f f l d Pe Nu μμ= 式中引用了几何参数准则 l d ，以考虑进口段的影响。 适用范围：16700Pr 48.0<<，75.9)( 0044.0<

自然对流与强制对流及计算实例

自然对流与强制对流及计算实例 热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础——传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的效果。 下面就通过具体的计算来分别说明自然对流与强制对流的情况。 首先，自然对流的传热系数可以表述为公式（2）。 热流量=自然对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度） (2) 很多文献中都记载了计算传热系数的公式，可以把流体的特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算的时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气的特性值，简化了公式。 自然对流传热系数 h=2 .51C（⊿T/L）0.25（W/m2K） (3) 2.51是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热，2.51需要换成水的特性值。 公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。C和L从表1中选择。例如，发热板竖立和横躺时，周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C 就负责吸收这一差异。 代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异，因此，在计算的时候，需要从表1中选择相似的形状。

需要注意的是，表示大小的L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。 ⊿T是指公式（2）中的（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体与空气之间的温差越大，紧邻物体那部分空气的升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。 公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的，只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下，理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。 但是，如果发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算的难度也会增加。这种情况下，就要根据原始的理论公式，通过实验求出系数。也就是说，在公式（3）中，理论计算得出的数值0.25可以直接套用，C的值则要通过实验求出。 自然对流传热系数无法大幅改变

对流换热系数

对流换热系数 流体与固体表面之间的换热能力，即物体表面与附近空气温差1℃、单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m^2·℃)。表面对流换热系数的数值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及空气的流速等都有密切关系。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（或吸热）量也较大。对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。 对流传热系数也称对流换热系数。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即： q = h*(tw-t∞) Q = h*A*(tw-t∞) 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，单位W/m^2； tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K； A为壁面面积，单位m^2； Q为面积A上的传热热量，单位W； h称为表面对流传热系数，单位W/(m^2.K)。 对流换热系数h的物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为1K时，1m*1m壁面面积在每秒所能传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱。 如上所述，h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。 影响对流传热强弱的主要因素有： 1. 对流运动成因和流动状态； 2. 流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化）； 3. 传热表面的形状、尺寸和相对位置； 4. 流体有无相变（如气态与液态之间的转化）。 在不同的情况下，传热强度会发生成倍直至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

对流受热面的换热计算

锅炉对流受热面的换热计算 大型电站锅炉的对流受热面是指对流换热为主的对流过热器和再热器、省煤器、空气预热器、直流锅炉的过渡区等，也包括辐射份额较大的屏式受热面。尽管这些受热面的结构布置、工质和烟气的参数都有着很大的不同，辐射传热所占的份额不同，但为了简化计算，均采用对流传热计算的规律，将辐射传热部分折算到对流传热，各个不同受热面的计算方法有所不同。 对流受热面的换热计算，不论是设计计算还是校核计算，都是利用对流传热方程和烟气侧与工质侧的热平衡方程，分别从对流传热和热平衡的角度来表达对流受热面的对流换热量。 对流受热面换热计算的基本方程 1.受热面的对流传热方程 d j , kJ/kg K tH Q B ?= 式中d Q ——以对流方式由烟气传递给受热面内工质的热量，以1kg 燃料（固体、液体）或31m ；燃料（气体）为基准；K ——传热系数,W/(m 2·℃)；t ?——传热温压，℃；H ——参与对流换热的受热面面积，m 2；j B ——锅炉计算燃料量，kg/s 。 2.烟气侧热平衡方程 对各段受热面，烟气侧热平衡方程是基本相同的，为 ()0d y y lk ,kJ/kg Q h h h ?α'''=-+? 式中 ?——保热系数，考虑散热损失的影响；y h '、y "h ——烟气在该受热面入口及出口截面上的平均焓值，kJ/kg ；0lk h ——对应于过量空气系数1α=时，漏入该段受热面烟气侧 的冷空气焓值,kJ/kg ；α?——该段受热面的漏风系数。 3.工质侧热平衡方程 对于布置在不同位置、不同工质状态的受热面，工质吸热量的计算方法不同。 （1）布置在炉膛出口处的屏式过热器或对流过热器。 这一类受热面的工质总吸热量由两部分组成：屏间（或对流受热面）烟气的对流换热量和炉膛烟气的辐射换热量，所以，在计算屏（或对流受热面）的对流换热量时，应从工质吸收的热量中扣除该受热面接受的炉膛辐射热量，即 ()d f j "Q ,kJ/kg D h h Q B '-=- 式中 f Q ——受热面吸收来自炉膛的辐射热量,kJ/kg ;D ——工质流量，kg/s ；"h 、h '——受热面出口及入口的工质焓值,kJ/kg 。

圆管自然对流计算和模拟

水平管和竖直管自然对流计算汇总1.计算工况表 温度工况 计算结果 100℃150℃200℃250℃300℃ 传热系数h W (m2K) 水平管7.9589.11510.04510.80311.527 竖直管 4.715 5.369 5.899 6.335 6.754 换热量水平管75.962141.388215.734296.472385.128 W竖直管 45.00883.390126.703173.860225.649最大速度u max 水平管 0.4760.5370.5850.6970.736 m/s竖直管0.840 1.050 1.180 1.290 1.390 2.变化曲线图

加热表面形 流动情况示 流态 系数 C 和指数 Gr 数适用范围 圆管自然对流的计算和数值模拟 已知条件如图 1所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自 然对流换热，圆管外径D = 38mm ，长度L =1000mm ，空气温度T = 20o C ，恒壁 温条件T w =100,150,200,250,300o C ，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换 热时的空气最大速度。 一、数值计算 1. 自然对流换热系数和换热量的计算 1) 圆管水平放置计算 以壁温 T w = 100℃为例，计算过程如下： 特征长度： D = 0.038m ； 定性温度t m =(t w +t ) 2=(100+20) 2=60o C ； 查空气物性： = 0.029W (m K )；=20.110-6 m 2 s ；Pr = 0.696 空气的体积膨胀系数： v =1 (t m +273) =1 (60+273)=1333K - 1 大空间自然对流的实验关联式为： Nu = C (Gr Pr )n (1-1) 根据计算的格拉晓夫数Gr 选择合适的常数C 和n (表 1)： 表 1 式(1-1)中的常数C 和 n 格拉晓夫数Gr ： Gr = g (t -t )D 3 9.8 1/333 (100-20) 0.038 3 2 = (20.1 10-6 )2 = 3.2 105 图1

自然对流与强制对流及计算实例

自然对流与强制对流及 计算实例 集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#

自然对流与强制对流及计算实例 热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础——传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的效果。 下面就通过具体的计算来分别说明自然对流与强制对流的情况。 首先，自然对流的传热系数可以表述为公式（2）。 热流量=自然对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度） (2) 很多文献中都记载了计算传热系数的公式，可以把流体的特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算的时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气的特性值，简化了公式。 自然对流传热系数 h=2 .51C（⊿T/L）（W/m2K） (3) 是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热，需要换成水的特性值。 公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。C和L从表1中选择。例如，发热板竖立和横躺时，周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C就负责吸收这一差异。 代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异，因此，在计算的时候，需要从表1中选择相似的形状。 需要注意的是，表示大小的L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。 ⊿T是指公式（2）中的（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体与空气之间的温差越大，紧邻物体那部分空气的升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。 公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的，只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下，理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。