传热学教学课件第五章 第九节

1、第九节 自然对流换热及其实验关联式,定义：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称为自然对流。此时的换热称为自然对流换热。 流动特征：不均匀温度场造成了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。 在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层内。 在贴壁处，流体温度等于壁面温度，在离开壁面的方向上逐渐降低，直至周围环境温度。 薄层内的速度分布则有两头小中间大的特点。贴壁处，由于粘度作用速度为零，在薄层外边缘温度不均匀作用消失，速度也等于零，在偏近热壁的中间处速度有一个峰值。,自然对流换热时的温度及速度分布,实验结果,自然对流换热时的边界层,自然对流也有层流和

2、湍流之分。以贴近一块热竖板的自然对流为例来作分析，其自下而上的流动景象如图所示。在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规律的层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍流。 演示：自然对流边界层的形成和发展,自然对流换热的特征,不同的流动状态对换热具有决定性的影响。 层流时，换热热阻完全取决于薄层的厚度。从换热壁面下端开始，随着高度的增加，层流边界层的厚度也逐渐增加。与此相对应，局部表面传热系数也随高度而减小。 如果壁面足够高，流体的流动状态将逐渐由层流转变为湍流。湍流时换热规律不同于层流。已经查明，旺盛湍流时的局部表面传热系数几乎是个常量。 演示：局部换热系数沿高度的变化,自然对流实验关联式,从对流

3、换热微分方程组出发，通过对方程组作相似分析，可以导出适用于自然对流换热的准则方程式。其形式为 格拉晓夫数，在自然对流现象中的作用与雷诺数在强制对流换热中的作用是相当的。 格拉晓夫数代表浮升力与粘滞力的相对大小。格拉晓夫数大表明浮升力的作用大，而粘滞力的作用相对较小。 不同流动形态时，自然对流换热规律不同，因此实验关联式的形式也不同。根据最新的试验成果，判别流动状态用格拉晓夫数。,自然对流换热的分类,自然对流换热可分为大空间自然对流与有限空间自然对流两大类。 大空间自然对流换热：在对流换热时，热边界层互不影响的对流换热称为大空间自然对流换热。 有限空间自然对流换热：相互靠近的壁面形成的热边界层相

4、互影响的对流换热称为有限空间自然对流换热。 这里的大空间和有限空间是相对于固体壁面形成的热边界层是否相互影响而言的。如果相互影响则为有限空间，否则为大空间。,大空间自然对流实验关联式,实验关联式的形式 定性温度 定型尺寸 关联式中的C和n值由表512决定。 适用条件常壁温。,表5-12,对关联式的说明,竖圆管按上表与竖壁用同一个关联式时，必须满足下列条件 当用上述公式计算液体与固体表面的对流换热时，应考物性变化的影响，这时建议用下面的式子 式中， 为物性修正因子。其计算式为,常热流条件下的自然对流换热实验关联式,公式形式 公式中 公式中系数和指数见表5-13,表5-13,湍流区自然对流的特点,

5、无论是常壁温,还是常热流密度,由自然对流湍流时的换热实验关联式都可以看出，此时对流换热表面传热系数是一个与特征尺寸无关的常量。 利用这一特征，在作湍流自然对流的实验研究时，可以用比已定特征数相等所要求的更小尺寸的模型进行模型研究，而只要保证仍处于湍流的范围就可以了。这种特征称为自模化。,空气在横圆管外自然对流换热的统一关联式,公式的形式 定性温度 定型尺寸：管外径 适用范围,有限空间自然对流换热的实验关联式,定义：有限空间自然对流传热是壁面上边界层的发展受到限制时的自然对流换热。 特点：传热时，高温壁将热量传给有限空间内的流体，流体再将热量传给低温壁面。 讨论的重点：竖夹层和水平夹层内的自然对

6、流换热。 演示：竖直夹层内的自然对流换热,有限空间内的流动特征,夹层内流体的流动特征，主要取决于以夹层厚度为特征尺寸的格拉晓夫数 当格拉晓夫数极低时，夹层内的流体几乎不流动，这时换热主要依靠导热； 随着格拉晓夫数的提高，夹层内流体的流动会逐渐的加剧，会依次出现向层流特征过渡的流动（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流动。 流动特征不同，换热规律也不同。,夹层内换热的实验关联式,在夹层自然对流换热中，纵横 比对换热有一定的影响。一般实验关联式的形式可表述为,竖空气夹层的实验关联式,纵横比的范围：,水平空气夹层的实验关联式,说明,对于竖直夹层 ，当 时，夹层中的热量传递为纯导热过程； 对于水平夹层

7、 ，当 时，夹层中的热量传递为纯导热过程； 此外，除了自然对流以外，夹层的热量传递还有辐射换热。通过夹层的热量应当是两者之和。,本章小结,对流换热是流体流过固体壁面时的热量传递过程。流体的流动状况，尤其是固体壁面附近边界层的状况对换热有很大的影响。流体流动分层流、过渡流区流动和湍流三种流态。边界层按流动状况分为层流边界层和湍流边界层。湍流边界层中紧靠壁面处有一层流底层。湍流对流换热的主要热阻在层流底层。 本章除了介绍流动边界层和热边界层的概念外，还介绍了对流换热微分方程组和定解条件。这些是求解对流换热的基础。通过对这些知识的学习，不但可以加深对对流换热的理解，同时也为实验研究奠定了理论基础。此外，利用边界层对流换热微分方程组的相似分析，可以得到与对流换热有关的特征数。 相似理论是实验研究的基础，对于对流换热实验研究有重要的指导意义。本章详细叙述了相似理论对实验研究的指导作用。 另外，本章还详细介绍了各种条件下对流换热的实验关联式。,通过本章的学习要达到以下要求,1. 掌握牛的冷却公式，了解影响对流换热的因素。 2. 掌握流动边界层和热边界层的概念，以及它们之间的相互联系。了解流动边界层和热边界层的形成和发展特点。 3. 了解对流换热微分方程的建立过程和主要内容。