第五章 对流换热.doc

第五章 对流换热本章内容要求：1 、重点内容：对流换热及其影响因素；牛顿冷却公式；用分析方法求解对流换热问题的实质；边界层概念及其应用；相似原理；无相变换热的表面传热系数及换热量的计算 2 、掌握内容：对流换热及其影响因素；用分析方法求解对流换热问题的实质 3 、讲述基本的内容： 对流换热概述； 对流换热的数学描写； 对流换热的边界层微分方程组； 边界层积分方程组的求解及比拟理论； 相似原理及量纲分析； 相似原理的应用； 内部流动强制对流换热实验关联式； 外部流动强制对流换热实验关联式； 自然对流换热实验关联式1。对流换热的概念：流体固体壁面；2对流换热中，导热和对流同时起作用；3对流换热的影响因素：，h过程量；4对流换热系数如何确定：、基本概念对流换热：流体流过固体壁面情况下发生的热量交换。传热机理：由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换热过程热对流与导热的综合作用的结果。、对流换热的特点）必须有流体的宏观运动，必须有温差；）对流换热既有热对流，也有热传导；）流体与壁面必须有直接接触；）没有热量形式之间的转化3、对流换热的计算牛顿冷却公式（1701年）流体被加热时， 流体被冷却时， 其中及分别为壁面温度和流体温度；用表示温差（温压），并取为正，则牛顿冷却公式表示为或其中h比例系数（表面传热系数）单位。h的物理意义：单位温差作用下通过单位面积的热流量。牛顿冷却公式只是表面传热系数的定义式，并没有揭示表面传热系数与影响它的有关物理量之间的关系。对流换热研究的基本任务就是要揭示这种关系， 用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。5-1 对流换热概述一、对流换热现象换热设备；暖气片；电子元件的散热等等传热机理：由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换热过程热对流与导热的综合作用的结果。二、影响对流换热的因素由于对流换热过程是热对流与导热综合作用的结果，所以对流换热影响因素应 所有影响热对流和导热基本方式的因素、流动的起因和流态：h受迫h自然；h层流h紊流由于流动起因的不同，对流换热分为强制对流换热与自然对流换热两大类；自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动（Free convection）强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动（Forced convection）粘性流体存在着层流及湍流两种不同的流态，对流换热分为层流对流换热与湍流对流换热两大类；层流：整个流场呈一簇互相平行的流线（Laminar flow）湍流：流体质点做复杂无规则的运动（Turbulent flow）、流体的种类及物理性质：影响对流换热的热物性是（a）、p、（）、（容积膨胀系数）等等。（1）导热系数：导热系数大，流体内和流体与壁之间的导热热阻小，换热就强，入水的导热导热系数比空气高20余倍，故水的传热系数h远比空气高。（2）比热容与密度：比热容与密度大的流体，单位体积携带更多的热量，从而对流作用传递热量的能量高。（3）粘度：粘度大，阻碍流体的运动，不利于热对流。温度对粘度影响较大，对应液体，粘度随温度增加而降低，气体相反。由于流体内各处温度并不相等，以至各处的物性数值也不系统，为处理方便起见，一般引入定性温度，将热物性作为常数处理。3、流体有无相变：h单相1时，Pr=/a，a，粘性扩散 热量扩散，速度边界层厚度温度边界层厚度。当Pr1时，Pr=/a，a，粘性扩散 热量扩散，速度边界层厚度温度边界层厚度。这也可以从公式得出。5-5 相似原理及量纲分析通过实验求取对流换热的实用关联式，仍然是传热研究中的一个重要而可靠的手段。然而，对于存在着许多影响因素的复杂物理现象，要找出众多变量间的函数关系，比如，实验的次数十分庞大。为了大大减少实验次数，而且又可得出具有一定通用性的结果，必须在相似原理的指导下进行实验。 学习相似原理时，应充分理解下面3个问题：实验时应该测量那些量实验后如何整理实验数据所得结果可以推广应用的条件是什么一、相似原理 用实验方法求解对流换热问题的思路1、物理量相似的性质（1）用相同形式且具有相同内容的微分方程时所描述的现象为同类现象，只有同类现象才能谈相似。（2）彼此相似的现象，其同名准则数必定相等。（3）彼此相似的现象，其有关的物理量场分别相似实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性，这就解决了实验中测量哪些物理量的问题2、相似准则之间的关系（1）各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：（2）整理实验数据时，即按准则方程式的内容进行。这就解决了实验数据如何整理的问题3、判别现象相似的条件（1）单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件（2）同名的已定特征数相等（3）两种现象相似是实验关联式可以推广应用的条件二、获得相似准则数的方法：相似分析法和量纲分析法1、相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。 以图5-13的对流换热为例，现象1：现象2：与现象有关的各物理力量场应分别相似，即 相似倍数间的关系 获得无量纲量及其关系：上式证明了“同名特征数对应相等”的物理现象相似的特性类似地：通过动量微分方程可得：能量微分方程：对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数格拉晓夫数式中：a 流体的体积膨胀系数 K-1 Gr 表征流体浮生力与粘性力的比值 2、量纲分析法：在已知相关物理量的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。（1）基本依据：p 定理，即一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换为包含 n - r 个独立的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。（2）优点: (a)方法简单；(b) 在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量例题：以圆管内单相强制对流换热为例(a)确定相关的物理量 n=7(b)确定基本量纲 r 国际单位制中的7个基本量：长度m，质量kg，时间s，电流A，温度K，物质的量mol，发光强度cd因此，上面涉及了4个基本量纲：时间T，长度L，质量M，温度Q所以 r = 4n r = 3，即应该有三个无量纲量，因此，我们必须选定4个基本物理量，以与其它量组成三个无量纲量。我们选u,d,l,h为基本物理量(c)组成三个无量纲量 (d)求解待定指数，以p1 为例同理：于是有：单相、强制对流强制对流：自然对流换热：混合对流换热：Nu 待定特征数含有待求的 h）；Re，Pr，Gr 已定特征数按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理问题.5-6 相似原理的应用1.相似原理的重要应用：相似原理在传热学中的一个重要的应用是指导试验的安排及试验数据的整理（前面已讲过）。相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。所谓模化试验，是指用不同于实物几何尺度的模型（在大多数情况下是缩小的模型）来研究实际装置中所进行的物理过程的试验。 2.使用特征方程时应注意的问题（1）特征长度应该按准则式规定的方式选取。如：管内流动换热：取直径 d；流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度：（2）定性温度应按该准则式规定的方式选取定性温度：计算流体物性时所采用的温度常用的选取方式有：通道内部流动取进出口截面的平均值；外部流动取边界层外的流体温度或去这一温度与壁面温度的平均值。（3）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以外特征尺寸，特征流速和定性温度我们在对流动换热微分方程组进行无量纲化时，选定了对应变量的特征值，然后进行无量纲化的工作，这些特征参数是流场的代表性的数值，分别表征了流场的几何特征、流动特征和换热特征。这里再作一点分析。特征尺寸，它反映了流场的几何特征，对于不同的流场特征尺寸的选择是不同的。如，对于流体平行流过平板选择沿流动方向上的长度尺寸；对于管内流体流动选择垂直于流动方向的管内直径；对于流体绕流圆柱体流动选择流动方向上的圆柱体外直径。特征流速，它反映了流体流场的流动特征，是可以参照的特征参数，且易于确定。不同的流场其流动特征不同，所选择的特征流速是不同的。如，流体流过平板，来流速度被选择为特征尺寸；流体管内流动，管子截面上的平均流速可作为特征流速；流体绕流圆柱体流动，来流速度可选择为特征流速。定性温度，无量纲准则中的物性量是温度的函数，确定物性量数值的温度称为定性温度。对于不同的流场定性温度的选择是不同的，这得根据确定该温度是否方便以及能否给换热计算带来较好的准确性来选取。一般的做法是，外部流动常选择来流流体温度和固体壁面温度的算术平均值，称为膜温度；内部流动常选择管内流体进出口温度的平均值（算术平均值或对数平均值），当然也有例外。3 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式5-7 内部流动强制对流换热实验关联式1-1 一般分析当流体受迫在管内对流换热时，处理影响单相流体对流换热的一般因素外，还应考虑到管内轮流地及换热的4个特殊因素：进口段与充分发展段；平均速度与平均温度；物性场的不均匀性；管子的几何特征一、进口段与充分发展段、流动进口段与充分发展段流体在管内流动属于内部流动过程，其主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）区段和流动充分发展区段，如图所示。在流体流入管内与管壁面接触时，由于流体黏性力的作用近壁会形成流动边界层。随着流体逐步向管内深入，边界层的厚度也会逐步增厚，当边界层的厚度等于管子的半径时，边界层在管子中心处汇合，此时管内流动成为定型流动。那么，从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口区，而进入定型流动的区域称为流动充分发展区。如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。层流速度分布 紊流速度分布层流进口区 层流充分发展区紊流进口区 紊流充分发展区（a）管内层流流动（b）管内紊流流动 图流体管内流动换热示意图实验研究表明，当管内流动的雷诺数Re2300时为层流流动，当管内流动的雷诺数Re104时为紊流流动，而雷诺数在2300 Re104之间时管内流动处于过渡流动区域。上述关系式中的雷诺数定义为,式中um为管内流体的截面平均流速，d为管子的内直径，为流体的运动黏度。在流动充分发展段，流体的径向流速分量为零，轴向速度不再变化，即、热进口和充分发展段当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。实验发现，常物性流体在常热流和常壁温边界条件下，流体从进口开始经历热进口段后即进入热充分发展断，热充分发展段的特征是，管内任意点的温度组成的无量纲温度随官场保持不变，即因无量纲温度仅仅是的函数，对求导，并当时，应用傅立叶导热定律以及牛顿冷却公式，可得到说明，常物性流体在热充分发展断的表面传热系数保持不变。、管内流动进口段和热进口段的长度对于层流和紊流是不一样的。层流时流动进口段的长度l由如下关系决定：而层流时的热进口段长度为,(对于)均匀壁温。(对于)紊流时流动进口段和热进口段长度几乎是一样的，有。层流热进口段长度随着pr增加而变长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，将有一些回升，并迅速趋于不变，紊流时候的热进口段较层流短得多，为管径的10-45倍。由于在进口段流动边界层和热边界层是逐步发展的，随着边界层的逐步增厚流体与管壁之间的换热系数也从进口处的最大值逐步减小，当流动进入充分发展阶段之后换热系数趋于一个定值。如果边界层在汇合之前从层流变为紊流，由于紊流中存在流体微团的动量和热量的交换，换热性能就比层流为好。随着紊流边界层的发展换热系数又逐步减小，边界层汇合后换热系数同样趋于一个定值。二管内流体平均速度及平均温度管内受迫对流换热中 Re 中的速度为管断面平均速度，定型尺寸为管内径，定性温度为流体平均温度。 流体平均速度： 流体平均温度： 在常热流条件下，可取管的进出口断面平均温度的算术平均值作为流体平均温度，即： ； 在常壁温条件下，流体与壁面间的温度差将沿管长按对数曲线规律变化，流体平均温度用下式计算： ， 三物性场不均匀在换热条件下，由于管中心和靠近管壁的流体温度不同，因而管中心和管壁处的流体物性也会存在差异。特别是粘度的不同将导致有温差时的速度场与等温流动时有差别。如图，若管内为液体，液体的粘度是随温升而降低的，则当它被冷却时壁面附近的液体粘度较管心处高，粘性力增大，速度将低于等温流的情况，这时的速度分布将变成曲线 2 的情形。如果液体被加热，则速度场将变为 3 的情形。显然曲线 3 在壁面上的速度梯度大于曲线 2 。在流体平均温度相同的条件下，这种现象将造成加热液体时的表面传热系数高于冷却液体时的表面传热系数。这就是不均匀物性场 ( 由冷却或加热引起 ) 的影响。对于气体，情形与液体相反，它的粘度随温度的增加而增大，所以，由于热流方向不同引起粘度变化对换热的影响恰与液体相反。 四、管子的几何特征对于非圆形管道如椭圆管、矩形管及套管间流动；定型尺寸由 d 改为当量直径 d e ； 对于弯曲管道如螺旋形管，流体通道呈螺旋形。在弯曲的通道中流动产生的离心力，将在流场中形成二次环流，如图，二次环流的路径是沿管径流向外侧，再沿管壁流向内侧，此二次环流与主流垂直，它增加了对边界层的扰动，有利于换热，而且管的弯曲半径越小，二次环流的影响越大。 1-2管内受迫对流换热计算在分析了管内流体流动换热的一些特征之后，我们就可以对不同流动状态的管内流动换热进行换热计算。这一工作可以在给出相应的准则关系式的基础上进行。管内紊流换热准则关系式当管内流动的雷诺数Re104时，管内流体处于旺盛的紊流状态。此时的换热计算可采用下面推荐的准则关系式。（Dittus-Boelter）准则关系式,422式中，,可见特征尺寸为d，特征流速为um，流体物性量采用的定性温度是，为流体的平均温度；流体被加热，而流体被冷却。公式422的适用范围是，平直管且管长直径之比;温差较小，所谓小温差是指对于气体,对于水，对于油类流体；雷诺数普朗特数。公式的修正1）温差修正液体被加热或气体被冷却液体被冷却或气体被加热恒定温度的情况管内流动温度对速度分布的影响示意图当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。流体截面速度分布受温度分布影响的示意图可从图417中观察到。因此，在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项。对于液体乘以，液体加热n=0.11，液体冷却n=0.25(物性量的下标表示在什么温度下取值)；气体。2）弯管修正弯曲管道流动情况示意图如果管子不是平直管，这对流体流动和换热也会产生影响。在弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由于离心力的作用会形成垂直于流动方向的二次流动，从而加强流体的扰动，带来换热的增强。如果管道弯曲的部分比较少，这种影响可以忽略不计。图418显示了弯曲管的流动情况。弯曲管道内的流体流动换热必须在平直管计算结果的基础上乘以一个大于1的修正系数，即。对于流体为气体时;对于流体为液体时；式中R为弯曲管的曲率半径。3）入口修正当管子的长径比l/d60时，属于短管内流动换热，进口段的影响不能忽视。此时亦应在按照长管计算出结果的基础上乘以相应的修正系数，即。对于尖角入口的短管，推荐的入口效应修正系数为。2. 管内层流换热计算公式当雷诺数Re2300时管内流动处于层流状态，由于层流时流体的进口段比较长，因而管长的影响通常直接从计算公式中体现出来。这里给出Sieder-Tate的准则关系式：。此式的适用范围是：,同样是用于平直管。式中准则的特征尺寸、特征流速和定性温度都仍然与关系式4-22相同。3. 管内过渡流动区换热计算公式当雷诺数处于Re2300104的范围内时，管内流动属于层流到紊流的过渡流动状态，流动十分不稳定，从而给流动换热计算带来较大的困难。因此，工程上常常避免采用管内过渡流动区段。这里推荐如下两个准则关系式：，此式用于气体，其使用范围为；，此式用于液体，其使用范围为。以上两式准则的特征尺寸、特征流速和定性温度均与上关系式相同。5-8 外部流动强制对流换热实验关联式外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。外掠单圆管流动换热时，应考虑脱体现象等特殊因素。 流体横向绕流圆柱体的流动如图所示。按照势流理论，流体在圆柱体的前部流速会逐步增大而流体的压力会逐步减小；流体在圆柱体的后部流速会逐步减小而流体的压力会逐步增大。但是，因流体的黏性力的作用，在圆柱体的前部会形成流动边界层，速度会从势流流速逐步改变到壁面上的零速度，这种速度改变是以消耗流体动量为代价的，这样的过程特征一直会保持到势流流速达到最大值。在其后的增压减速过程中，流体中由压力转变来的动量会逐步地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且和会在逆向压力的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边界层发生分离。流体外掠一切非流线型物体时，都会发生边界层分离。例如汽车行驶时，车后往往有回流和漩涡，会扬起灰尘，因此汽车后面的玻璃是固定的。实际上，由于边界层的发展，势流区的外形已经不是圆形，因而使流动的增压减速过程提前，也就使流动分离位置提前。如果流体在分离之前流动边界层已经从层流发展到紊流，由于紊流边界层中紊流动量交换的加强，从而使边界层流动的分离向后推移。观测给出，绕流圆柱的流动当Re105时流动分离点在处。这里定义的雷诺数为，式中，u为来流速度，d为圆柱体外直径。1 、 流动边界层的形成与发展 Re10 蠕动流 Re 1.5 10 5 层流 脱体现象 尾迹流 Re 1.5 10 5 层流 紊流 脱体现象 尾迹流 脱体现象： 流体的压强在管的前半部递降，而后又趋回升。与压强的变化相应，主流速度则先逐渐增加，面后又逐渐降低。特别要注意的是在压强增大的区域内，流体需靠本身的动能来克服压强的增长才能向前流动，而靠近壁面的流体由于粘滞力的影响速度比较低，相应的动能也较小，其结果是从壁面的某一位置开始速度梯度达到 0 壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。以致从 0 点开始壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动，该点称为绕流脱体的起点 ( 或称分离点 ) 。 2 、换热特征 这样一种流场的流动特征必然会影响到流场的换热性能。图422给出了绕流圆柱体的换热系数沿着圆柱体壁面变化的情况。在圆柱体的前端处换热系数最大，而在分离点处换热系数最小；如果在边界层从层流变为紊流，那么转变点处有一个换热系数的最低点，紊流边界层的分离点是另一个换热系数的最低点。从中不难看出，沿着圆柱体表面的换热系数是变化的，且变化较为剧烈。总体而言，换热性能在分离点前要比分离点后要好。换热性能的变化会在等热流加热的情况下引起圆柱体表面的温度变化，而这种变化在高温下会造成圆柱体（或管壁）较大的内应力，从而影响换热设备的安全运行。但是，对于工程上的大多数换热问题，只需要了解其总的换热性能，因而这里仅给出计算流体绕流圆柱体的平均换热系数的准则关系式。壁面边界层流动状况，决定了换热的特征。右图为常热流条件下圆管壁面局部换热 Nu 的分布，曲线都表明，从管正面停滞点 =0 o 开始，由于层流边界层厚度的增加，局部表面传热系数下降。图中 Re 最低的两个工况，它们在脱体点前一直保持层流，在脱体点附近出现 Nu的最低值。随后因脱体区涡旋的混乱运动， Nu趋回升。图中 Re 较高的其他工况在壁面边界层发生脱体时已是紊流，Nu曲线出现了两次低谷，第一次相当于层流到紊流的转变区，另一次则发生在紊流边界层与壁脱离的地方。图中数据表明在高 Re 情况下，脱体点可能推迟到 =140 0 。局部表面传热系数最低的地方，换热最差。 常用的准则关系式的形式为： 式中，准则的特征流速为通道来流速度，特征尺寸为圆柱体外直径d；定性温度为壁面和来流速度的平均值。四、外掠管束对流换热 外掠管束在换热器中最为常见。管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按照一定的的排列规则组合而成，常常是热交换设备的组件，工程上使用管束要比使用单管为多。管束的排列方式很多，最常见的有顺排和叉排两种。不管哪一种排列方式，流动情况都比单管时要复杂，这是因为管子之间相对紧密的排列造成各自流场间的相互影响，从而也就影响到流体与管壁之间的换热。流体流过顺排或叉排管束的第一排管面时的流动和换热情况与流过单管的情形是相似的。但从第二排开始，顺排时管子的前后都处于前一排管的回流区中，流动和换热不同于第一排管；对于叉排排列，尽管从第二排管以后，流动情况与单管时看似相同，但由于前排造成的流场扰动会使流动和换热情形差别较大。这些都导致后排管的换热要好于第一排管，但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没有多少差异了。但是前几排管换热性能上的差异，对于整个管束换热性能的影响， ddS1S1S2S2umaxuutt(1)叉排管束(2)顺排管束流体绕流管束时的流动特征及几何尺寸示意图会随着管排数的增加而减弱。实验结果表明，当管排数超过10排之后，换热性能就基本稳定不变了。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除Re、Pr数外，还有：排列方式，叉排或顺排；管间距；管束排数等特殊因素。 1 、 流动边界层 层流： Re2 10 5 。 如图所示，顺排和叉排中流体的扰动强度是不同的，顺排弱于叉排；管间距不同扰动强度也不同；另外除第排管子保持了外掠单管的特征外，从第二排起流动将被前几排管子引起的涡旋所干扰，流动状况比较复杂。 2 、换热特征 一般而言，顺排换热弱于叉排；因前排引起的扰动加强了后排的换热，所以各排的换热将逐排增大，直到 20 排左右这种影响才消失。 一般而言，在相同的条件下，叉排情况下的换热系数要比顺排大，而相应的流动阻力也比顺排时大。如果综合考虑换热性能和流动特性两种排列方式是相差不大的，关键是选择合理的使用范围。因此，在采用什么排列方式时除了实际的运行要求之外，还要通过可用能损失率分析来进行两种排列方式的流动与换热综合性能的分析比较，最后获得各种排列方式最佳的运行参数和几何尺寸。5-9自然对流换热及实验关联式重点内容： 各类自然对流换热现象流动及换热特征。 1 自然对流产生的原因 自然对流是流场温度分布不均匀导致的密度不均匀分布，在重力场的作用下产生的流体运动过程。而自然对流换热则是流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。引起自然对流的浮升力实际上来自流体的密度梯度以及与该密度梯度成正比的体积力 ( 或称为彻体力 ) 的联合作用。在地球引力场范围内，最普遍存在的体积力是重力。当然还可以是由旋转运动导致的离心力、电磁场中的电磁力等。造成介质密度梯度的原因也有多种，其中最主要的是温度差。 在自然界、在现实生活中、以及在工程上，物体的自然冷却或加热都是以自然对流换热的方式实现的。例如，在偏僻地区，一些平时无人看管的小变电站或电话中继站等，其发热设备往往靠自然对流冷却。此外，管道、输电线的散热、电子器件的散热、暖气片对室内空气的散热以及海洋环流、大气环流等都与自然对流有关。由于自然对流换热的换热强度比较弱，尤其是在空气环境下，同时还存在着辐射换热，而且在温度比较高的情况下，辐射换热的强度与自然对流换热的强度处于相同的数量级。因此，在自然对流换热的实际计算中辐射换热是不可随意忽略的。2 自然对流换热的分类 自然对流换热问题常常按流体所处空间的特点分成两大类：如果流体处于相对很大的空间，边界层的发展不受限制和干扰，称为无限空间的自然对流换热；若流体空间相对狭小，边界层无法自由展开，则称为有限空间的自然对流换热。 一、 无限空间自然对流换热 流动及换热特征 ( 以竖壁为例 ) 1 、 流动边界层的形成与发展 如图所示，考虑块等温竖板周围空气的自然对流运动。设板温高于流体的温度。板附近的流体被加热因而密度降低 ( 与远处未受影响的流体相比 ) ，向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层。如果竖板足够高，到一定位置也会从层流发展成为湍流边界层。自然对流湍流时的换热当然也明显强于层流。自然对流边界层中的