自然对流计算.ppt

自然对流换热计算 Whennaturalconvectionisimportant WeathereventssuchasathunderstormGliderplanesRadiatorheatersHotairballoonHeattransferwithpipesandelectricallinesOceanicandatmosphericmotionsCoffeecupexample Smallvelocity 自然对流 要点新术语Volumetricthermalexpansioncoefficient体积膨胀系数Grashofnumber格拉晓夫数Rayleighnumber瑞利数浮力是自然对流的驱动力Buoyancy重点 大空间垂直平壁上的层流自然对流Nu关联式自然对流的边界层 浮力流体密度差体积力 重力 科里奥利力 温差 密度差 浮升力 自然对流 自然对流换热 自由发展边界层 热管道 热导线等 大空间竖直平壁上的自然对流换热 u x y y g x v u 层流 湍流 层流 热阻主要取决于边界层厚度 hx逐渐减小湍流 局部对流换热系数hx为常数 自然对流换热的方程组 X 动量方程 已知 因此 浮力 定义 体胀系数 密度差是由于温差带来的 定义 动量方程可写为连续性方程与能量方程不变 速度场与温度场强烈耦合 必须同时求解 无量纲化 定义Gr数 动量方程 自然对流里的Gr数类比于强迫对流里的Re数Gr数的物理意义 浮力与粘性力的比值Gr数越大 自然对流越强烈flow 强迫对流 自然对流 瑞利数Ra 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 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 竖直平壁上的自然对流换热 常壁温 y u 0 t t y 0 u 0 t tw 竖直圆柱 对常热流情况 q constant 如何计算Nu 采用平壁中心的温度tl 2作为Gr数和牛顿冷却公式中的特征温度 针对常壁温条件的经验关联式 如Eq 10 77 也可用于常热流的边界条件或 利用针对常热流的经验关联式 10 79 to 10 87 自然对流与强制对流并存的混合对流 在对流换热中有时需要既考虑强制对流亦考虑自然对流考察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 强制对流的影响相对于自然对流可以忽略不计 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 定性温度为 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 自然对流换热要点相同温差条件下 自然对流换热系数一般小于强迫对流Gr数类比于Re数Ra数 同时考虑浮力和粘性力在自然对流中的作用常用的经验关联式的形式 定性温度 边界层的算术平均温度 例题 室温为10 的大房间中有一个直径为15cm的烟筒 其竖直部分高1 5m 水平部分长15m 求烟筒的平均壁温为110 时的对流散热量 求