流體與所接觸的固體表面間的熱量傳遞過程。它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果,也稱對流傳熱或對流放熱。它是傳熱學的重要組成部分。在對流換熱過程中,熱量的傳遞是靠分子運動產生的“導熱”和流體微團之間形成的“對流”這兩種作用來完成的。傳熱強度不僅與對流運動形成的方式有關,而且還與流速和流體的物性參數,以及固體表面的狀況、形狀、位置和尺寸等因素有關。在不同的情況下,傳熱強度會發生成倍直至成千倍的變化,所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的複雜過程。。
傳熱系數 也稱換熱系數。對流換熱的強度依據牛頓冷卻定律,其基本計算公式是:
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實驗求解法 通過實驗求出h與諸影響因素之間的定量關系式。實驗求解法是處理工程實際中復雜的對流換熱問題的重要手段,也是其他求解方法的檢驗標準。
實驗求解法是在相似理論的指導下,對求解的問題進行相似分析,求出與問題有關的無量綱數(由相應的物理參數組成)。每個無量綱數都具有一定的物理意義。與對流換熱有關的最常見的無量綱數包括:①努塞爾數Nu=hl/k,式中l為特征長度,h為傳熱系數,k為固體的熱導率。它反映換熱表面的溫度梯度;②雷諾數Re=vl/v,式中v和v分別為流速的特征速度和運動粘度。它反映粘性對流動的影響;③格拉曉夫數
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數學分析解法 利用數學分析的方法直接求解微分方程組。由於方程組很復雜,這種方法隻能求解極個別非常簡單的對流換熱問題(如光滑圓管內層流流動時的對流換熱),尚難用於求解復雜的實際問題。20世紀初,德國物理學傢L.普朗特提出邊界層理論。他利用邊界層極薄的特性的簡化微分方程組,從而建立瞭可以數學求解的分析理論,開拓瞭對流換熱向理論分析方向發展的道路,計算機的應用又顯著擴大瞭解題能力。
數值分析解法 把微分方程組的積分求解過程變換成相應的差分方程組的代數求解過程進行求解。這種解法的計算工作量非常大,但由於計算機的應用和各種新的實驗技術的配合,這一方法的研究獲得迅速發展,並正在形成傳熱學的一個新的分支──數值計算傳熱學。
對流換熱形式 形成對流的原因有兩種:流體各部分因溫度引起的密度差所形成的運動稱為自然對流;由風機、泵等所驅動的流體運動稱為受迫對流。相應的換熱過程分別稱為自然對流換熱和受迫對流換熱。
自然對流換熱 它又可分成大空間內自然對流換熱和有限空間內自然對流換熱兩種。前者的無量綱關系式常表達為
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有限空間內自然對流換熱的關系式因空間的幾何形狀、大小和放置方位不同而異,所以公式繁多。在計算時須根據不同的問題查閱有關手冊。
受迫對流換熱 根據邊界層形成和發展情況的不同,可以分成內部流動和外掠流動兩種。根據流動狀況的不同,這兩種流動又各有層流和湍流(紊流)之分。對於不同流動方式的對流換熱問題,須選用相應的無量綱數關系式來計算。例如,對於管內湍流換熱,在104≤Ref≤1.2×105、0.6≤Prf≤120、流體與固體表面的溫差不大和壁面光滑的直管道等條件下,可以選用下式
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