6-4 自然对流换热及实验关联式,自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。,一、概述：,1、自然对流的机理：流体沿壁面流动完全是因为壁面与流体之间存在温差，靠近壁面一层流体受热，密度减小，向上运动，冷流体来补充，因而产生浮升力，这样造成流体的运动而不需要外力。所以，壁面与流体之间的温差是流体产生自然对流和换热的根本原因。,2、自然对流的特点：a)如图竖直放置的热壁与冷流体接触，在近壁处会形成温度边界层和速度边界层且, t在贴壁处由于粘性的作用，速度为零，在边界层外缘因没有温差，速度为零，速度分布具有两头小，中间大的形式。,b) 边界层中的温度分布沿y方向单值下降。,自然对流亦有层流和湍流之分。 层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。 旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。,c) 流体沿壁面的流动，开始为层流，随着流体沿壁面的上升，边界层加厚，流动由层流转变为紊流，换热系数随高度变化，在层流段hx随边界层增厚而减小，在过渡区hx开始增加，旺盛紊流， hx基本不变。,自然对流换热可分成大空间和有限空间两类。 大空间自然对流：流体的冷却和加热过程互不影响，边界层不受干扰。反之为小空间自然对流。 如图两个热竖壁。底部封闭，只要 底部开口时，只要 壁面换热就可按大空间自然对流处理。（大空间的相对性）,3、自然对流分类,4、数学描述与准则方程：,连续性方程：,能量方程：,动量方程：,为体积膨胀系数，理想气体,为过余温度,为浮升力，是边界层内外不同温度下流体的重力差。,在物理上， 数是浮升力/粘滞力的比值。 数的增大表明浮升力作用的相对增大。,利用相似分析方法，可导得自然对流时的准则数,称为格拉晓夫数。它完全由单值性条件给出的物理量组成，所以是已定准则。,在自然对流中，用来判别流态用的是Gr数或GrPr的乘积。,雷利数,层流,过渡,紊流,在本课程中用Gr数判别流态。,一. 大空间自然对流换热的实验关联式,1）由实验可知：气体自然对流关联式为：,大空间自然对流中，除了温差、物性影响外，形状及位置也很有关系。如竖圆柱的直径比边界层的厚度大很多时，可认为边界层的发展与表面曲率无关，将圆柱视为竖板。而圆柱直径很小时，却不能视为竖板。,式中 c 和 n 查表512,定性温度为：,数中的,定性尺寸为：竖壁和竖圆柱取高；横圆柱取外径D,注：竖圆柱按上表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：,2）若常热流边界条件下的自然对流，往往采用下面方便的专用形式： 式中：定性温度取平均温度 ，特征长度对矩形取短边长。 按此式整理的平板散热的结果示于下表。,这里流动比较复杂，不能套用层流及湍流的分类。,3）若流体为液体，当温压较大时上关联式进行修正：,物性变化修正因子，查有关资料。,4）当已知热流密度q而要计算局部换热系数，就要用到局部关联式，下式为竖板在层流条件下的局部关联式,定性温度为： 若tw未知，先假设进行试算h，再校核假定值。,适用范围：,5）空气在横圆柱外自然对流的统一关联式：,适用范围：,定性温度为：,无论是常壁温还是常热流密度，自然对流紊流时的换热规律都表明换热系数 h 是与特性尺度无关的常量。Why? 故在进行模型实验时，只需保证处于紊流状态，而对模型尺寸没有任何要求，称之为自摸区。,二. 自然对流与强制对流并存的混合对流,在实际对流问题中总是自然对流与强制对流相混合.因为有温差才能换热，而有温差就有自然对流，因而受迫对流中必然存在自然对流。在分析计算时可简化。,强制对流，主要是惯性力起作用；自然对流，主要是浮升力起作用，在处理问题时，是否忽略自然对流或强迫对流取决于浮升力与惯性力的比值。,一般认为：,时，自然对流的影响不能忽略,而 时，可以忽略强制对流的影响。,自然对流对总换热量的影响低于10的作为纯强制对流； 强制对流对总换热量的影响低于10的作为纯自然对流； 这两部分都不包括的中区域为混合对流。,上图为流动分区图。其中 数根据管内径 及 计算。,混合对流的实验关联式这里不讨论。 推荐一个简单的估算方法： 式中： 为混合对流时的 数， 而 、 则为按给定条件分别用强制对流及自然对流准则式计算的结果。 两种流动方向相同时取正号，相反时取负号。 n之值常取为3。,例：置于大气中的油冷器，外壁具有垂直的矩形肋片，肋宽2m，肋高0.8m，肋壁温度85，空气温度15，试计算每一片肋片的散热量。,解：定性温度 查物性参数,查表512,一片散热量：,紊流,例：水平放置的蒸汽管道，绝热层外径D=583mm，壁温tw=48，周围空气的温度23，试计算绝热层外的对流换热系数h。,解：定性温度 查物性参数,查表512,层流,总结：计算步骤,1）依据定性温度查物性 2）判别流态 3）选择合适的公式求Nu 4）计算 或 等,思考题： 1.对流换热是如何分类的? 影响对流换热的主要物理因素. 2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程? 3.自然对流和强制对流在数学方程的描述上有何本质区别? 4.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数(表面传热系 数), 其物理机理和数学方法是什么? 5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义. 6.管外流和管内流的速度边界层有何区别? 7.为什么说层流对流换热系数基本取决与速度边界层的厚度? 8.为什么温度边界层厚度取决于速度边界层的厚度? 9.对十分长的管路, 为什么在定性上可以判断管路内层流 对流换热系数是常数?,11.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组? 12.如何将边界层对流换热微分方程组转化为无量纲形式? 13.为什么说对强制对流换热问题, 总可以有: Nu=f(Re,Pr) 的数学方程形式? 14.什么是特性长度和定性温度? 选取特性长度的原则是什么? 15.对管内流和管外流, Re准则数中的特性长度的取法是不一 样的. 说明其物理原因. 16.当量水利直径的定义和计算方法. 17.什么是相似原理? 判断物理相似的条件? 相似原理在工程 中有什么作用?,22.使用定理推导准则关系式的基本方法. 23.Nu, Re, Pr, Gr准则数的物理意义. 24.管内强制对流换热系数及换热量的计算方法.如何确定 特性长度和定性温度? 25.流体横琼单管和管束时对流换热的计算方法. 26.竖壁附近自然对流的温度分布,速度分布的特点? 换热 系数的特点? 27.大空间自然对流换热的计算方法.如何确定横管和竖管 的特性长度? 28.如何区分自然对流是属于大空间自然对流还是受限空 间自然对流?,31.如何使用实验数据整理对流换热准则数实验方程式? 32.对自然对流换热, 自模化的物理意义及工程应用意义. 33.混合对流的概念.,