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1、 1 绪论1.1引言自然界和工程技术问题中存在着大量因为温度差引起的密度差异，最终导致流体发生运动的现象，大到影响整个地球环境和气候变迁的大气层环流，海洋中的洋流，小到生活中每天用的电冰箱的冷却器，冬季采暖的散热器，以及工业上许多未加强迫流动措施的散热装置，像电力变压器，架空热力管道和输电线，以及大量电子元器件的肋片式散热器，电厂内的蒸汽管道，换热站的换热器，以及在锅炉的空气预热器中，等等。某些场合，自然对流散热可能成为能否保证设备安全的关键因素，更重要的是，在某些场合，自然对流换热可能成为保证人身设备安全的关键因素，例如核反应堆的失水事故始终是对人员和设备安全最重要的潜在威胁之一，要保证绝对
2、安全，就必须做到即使在满负荷情况下突然停泵，没有冷剂补充也不执行任何人工操作，靠一回路流体的自然对流也能把堆芯的剩余衰变热量带出来，使堆芯不致出现过热。在没有强制的流动速度而流体内仍存在对流流动的情况，这种情况称之为自由运动或自然对流。因为自然对流牟流速一般远小于强迫对流的相应的速度，相应的对流传递速率也小，这也许会使人们认为自然对流过程不大重要。其实应消除这种误解，在许多含有多种传热效应的系统中，自然对流引起的传热热阻最大，并且在一些工程应用上还必需用自然对流而非强迫对流，比如空气中的输电线，而且自然对流不用投入一些动力，而是流体本身密度差引起的，所以可以降低运行费用。自然对流有很多用途，它
3、在很大程度上影响管道，输电线路以及各种电子设备上的散热，自然对流都很重要的，自然对流也与环境科学有关，在环境科学中自然对流引起海洋和大气运动，并影响与之有关的热量交换和质量交换过程。1.2 对流传热的定义及分类1.2.1对流传热的定义热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷，热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而对流必然伴随有热传导现象。工程上特别感兴趣的是流体流过物体表面是流体与物体表面之间的热量传递过程，并称之为对流传热1。流体流过固体表面时流体与固体间的热量交换称为对流传热。对流传热的换热量
4、用牛顿冷却公式计算。对单位面积有 （1-1）其中h为表面传热系数，t为壁面温度和流体温度的温度差，q为热流密度，单位是w/m2k。对于面积为A的接触面 （1-2）其中h为对流传热表面传热系数，tm为换热面A上流体与固体表面的平均温度差。工程计算中无论流体被冷却还是被加热，化热量总是取正值，因此t及tm也取正值。表面传热系数的大小与对流传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状，大小与布置，而且还与流速有密切的关系。在表1-1中给出了几种对流传热过程表面传热系数数值的大致范围1。表1-1对流传热表面传热系数的大致范围过程/ 自然对流：空气110水2001000强制对流：气
5、体20100高压水蒸气50035000水10001500水的相变换热：沸腾250035000蒸气凝结5000250001.2.2对流传热的分类对流传热现象可以分为有相变与无相变的对流传热。在有相变对流传热中可分为沸腾传热和凝结传热。沸腾传热可以分为大容器沸腾传热和管内沸腾传热。凝结传热可分为管外凝结传热和管内凝结传热。在无相变的对流传热中可分为混合对流、强制对流与自然对流。强制对流可分为内部流动传热与外部流动传热。自然对流传热可分为大空间自然对流传热和有限空间自然对流。1.3 研究对流传热的意义求解对流传热问题的工程目的，是要得出对流换热表面传热系数的计算规律。为了得出，关键是要获得流体中的温
6、度分布。因而从传热学的基本原理来说求解导热与对流传热问题的实质都是要获得物体中的温度场。只是对于对流传热，由于理论求解是用非线性偏微分方程，其难度很大，因此主要采用实验测定的方法。而封闭空腔内的自然对流换热是数值传热学里的经典课题，这种流动属于作用密度梯度上的体积力引起的一种浮力诱发运动，而密度梯度本身又因为流体里的质量浓度梯度与温度梯度或二者之一所引起，其所描述的现象在许多工程实践中都能遇到，因此精确分析各种条件下的封闭空腔内的自然对流换热问题具有重要的实用价值2。 1.4 对流传热的影响因素影响对流传热的因素就是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素。这些因素归纳起来可以分为以下五个方面
7、。（1）流体有无相变在流体没有相变时传热中的热量交换是由于流体显热的变化而实现的，而在有相变的换热过程中（如沸腾或凝结），流体相变热（前热）的释放或吸收常常起主要作用，因而传热规律与无相变时不同。（2）流体的流动状态流体力学的研究已经查明，粘性流体存在两种不同的流态层流和湍流，层流时流体微团沿着主流方向作规则的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要较层流时强烈。（3）换热表面的几何因素这里的几何因素指的是换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙），例如图1-1(A)所示的馆内强制对流流动与流体横掠圆管的
8、强制对流流动是截然不同的。前一种是管内流动，属于所谓内部流动的范围；后一种是外掠物体流动，属于所谓外部流动的范围。这两种不同流动条件下的换热规律必然是不相同的。在自然对流领域里，不仅几何形状，几何布置对流动赤有决定性影响，例如图1-1(B)所示的水平壁，热面朝上散热的流动与热面朝下散热的流动就截然不同，它们的换热规律也是不一样的1。（A） （B）图1-1几何因素的影响（4）流体的物理性质流体的物理性质对于对流换热有很大的影响。以无相变的强制对流传热为例，流体的密度、动力粘度、导热系数以及比定压热容Cp等都会影响流体中速度的分布及热量的传递。因而影响对流传热。2 自然对流传热现象的特点2.1 大
9、空间与有限空间自然对流自然对流传热区分为大空间自然对流与有限空间自然对流，又称为外部自然对流与内部自然对流。所谓大空间自然对流，是指热边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流，而不拘泥于几何上的很大或无限大。而在有限空间自然对流中，或者边界层的发展受到干扰，或者流体的流动受到限制，使其换热规律有别于大空间的自然情形3。2.2 大空间自然对流的基本概念大空间自然对流是指边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流，而不拘泥于几何上的很大或无限大，物体的体积与所处空间的体积相差很大，其比值趋向于0，也就是说如果流体处于相对很大的空间，只要自然对流不受外部边界的影响就可认为是大空间的自然对流而不必局限于真正
10、的无限大空间4。2.3 均匀壁温边界条件的大空间自然对流设壁面温度为tw，环境温度（即未受壁面温度影响的流体温度）为t，则此时牛顿冷却公式及格拉晓夫数中的温差取为tw-t（流体被加热时）或tw-t（流体被冷却时），工程计算中广泛采用以下形式的大空间自然对流实验关联式： (2-1)式中，Num为由平均表面传热系数组成的Nu数，下角标m表示定性温度采用边界层的算术平均温度。Gr数中的t为tw与t之差，对于符合理想气体性质的气体。常壁温及常热流密度两种情况可整理成同类形式的关联式。上式中的常数C与系数n由实验确定。换热形状与位置、热边界层条件以及层流或湍流的不同流态都影响C与n的值。对于两种典型的表
11、面形状与位置的情况，特征长度的选择方案为：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。流态转变依Gr数而定。计算前首先要确定Gr的大小，才能选定合适的C和n值。采用Gr数作为传热规律转变的判据，克服了以往采用R数时不同流体转变判据数值各异的缺陷，标志着对自然对流传热规律认识上的提高。为计算的方便，下面暂时介绍仍以R为判据确定水平面自然对流平均表面传热系数的实用关联式，有关以Gr数为传热规律转变判据的研究工作需继续进行。对于水平热面向上（冷面向下）的情形（见图3-4a、b），对于热面向下（冷面向上）的情形（见图3-4c、d）(a)热面向上 (b)冷面向下 (c)热面向下 (d)冷面向上图3-4水平板自然对
12、流传热的流动图像 ，以上两式中，定性温度为，特征长度为其中，Ap、P分别为平板的换热面积及其周界长度。在电子器件冷却问题中经常遇到均匀热流密度的加热条件。这时自然对流传热的平均表面传热系数可以采用以下两种方式进行计算。（1）采用常壁温公式对于高为的竖直平板的均匀热流加热情形，如果取平板中点的壁温作为确定数中的温差以及牛顿冷却公式中温差的壁面温度，则对于均匀壁温得出的关联式仍能很好的适用于确定均匀热流密度时的平均表面传热系数。（2）采用专门公式针对电子器件冷却问题，对水平板热面向上与向下的情形，提供了均匀加热条件下平均表面传热的计算式 (2-2)式中这些准则式的定性温度取平均温度，特征长度对矩形
13、取短边长。由于以上成果是在二维条件下取得的，对于长边接近短边长度的矩形，其长边端部影响不可忽略，准则数提供的数将偏小。无论是均匀壁温，还是均匀热流密度，自然对流湍流时的传热规律都表明表面传热系数是个与特征长度无关的常量。利用这一特征，湍流自然对流的实验研究，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5。2.4 大空间自然对流的应用2.4.1大空间内圆柱自然对流工业应用特点不依靠泵或风机等外力推动，而由流体自身温度场为动力。大空间自然对流应用广泛，比如暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热，自然对流换热具有安全、经济
14、、无噪声，广泛应用于多种工业技术中。2.4.2 大空间自然对流在输电线上的应用在我们日常生活中用的电是由导线传递过来的，但是电流通过导线传递，导线有电阻，所以导线会产生热量，根据实验可能得出随着热量的增加，导线的电阻增大，在电导线散热这一领域的研究对我国的国民经济有重要作用，电导线是处于空气当中，所为我们所研究的电导线就属于我们今天所研究的大空间内圆柱体自然对流问题，在一定稳定的环境中，对大空间圆柱体自然对流的研究可以减少电能的损耗和减少导线的用料，在各方面可以取得合适的均值，对我国的国民经济有重大影响和帮助6。2.4.3 大空间自然对流在微小元器件冷却的应用微小圆柱物体的大空间自然对流在一些工程应用如电子器件的冷却，热对流加整流速度计等，中起着越来越重要的作用。普遍认为，微尺度下的圆柱体的大空间自然对流换热由于物体尺度的变小而使其表面的边界层变薄，从而使换热得到强化，但是小尺寸，尤其小于100m的微细圆柱外的自然对流换热并未有实验方面的系统研究，小尺寸下自然对流的换热机理仍然不清楚。自然对流不需要动力，研究加强大空间内圆柱体自然对流换热的方法有着深远的工程意义7。2.5大空间圆管外表面自然对流的影响因素影响因素很多，主要有以下原因：通过由控制方程式
