4 自然对流换热.ppt

L o g o 建筑工程系 The Department of Construction Engineering Heat Transfer传热学 建筑环境与设备工程专业主干课程之一 ! §6 单相对流换热 建筑环境与设备工程专业主干课程之一 ! Chapter6 The Heat Transfer of Single-phase Convection Heat Transfer §6-4 自然对流换热 1、自然对流产生的原因 自然对流：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。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。 例如：暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电 器元件的散热 0 前言 Heat Transfer 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。 §6-4 自然对流换热 Heat Transfer 1、流动边界层的形成与发展 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。 一、 无限空间自然对流换热 Heat Transfer 自然对流边界层中的速度分布与强迫流动时有原则的区别。壁面上粘滞力造成的无滑移条件依然存在。同时自然对流的主流是静止的，因此在边界层的某个位置，必定存在—个速度的局部极值。就是说，自然对流边界层内速度剖面呈单峰形状。 温度分布曲线与强迫流动时相似，呈单调变化。 Heat Transfer 具有以下流态： 层流：GrPr 10 7 ； 过渡区：GrPr =10 7 -10 10 ； 旺盛紊流： GrPr 10 10 ； 　　（GrPr）c 一般取 109。 Heat Transfer 2、换热特征 在层流边界层随着厚度的增加，局部换热系数将逐渐降低，当边界层内层流向紊流转变队局部换热系数 hx 趋于增大。研究表明，在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时， hx 将保持不久而与壁的高度无关。 Heat Transfer 自然对流亦有层流和湍流之分。 层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。 旺盛湍流时，局部表面传热系数几乎是常量。 Heat Transfer 从对流换热微分方程组出发，可得到自然对流换热的准则方程式： 3、自然对流换热的准则方程式 式中：格拉晓夫数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。其值的增大表明浮升力作用的相对增大。 瑞利数： 注意各字母的含义及其取值，见教材！ 6-16 Heat Transfer 在常热流边界条件下： 3、自然对流换热的准则方程式 6-17 注：竖圆柱按下表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况： Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer *自模化现象：对于自然对流紊流，展开关联式后，两边的定型尺寸可以消去，这表明自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无关。 Heat Transfer 二、有限空间自然对流换热 这里仅讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热，而且仅局限于气体夹层。 封闭夹层示意图 Heat Transfer 夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度 为特征长度的 数： 当 极低时换热依靠纯导热： 对于竖直夹层，当 对于水平夹层，当 注意：与教材数据的不同！这里的数据仅供参考！ Heat Transfer 另：随着 的提高，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。 对竖夹层，纵横比 对换热有一定影响。 Heat Transfer Heat Transfer Heat Transfer ①对于竖空气夹层，推荐以下实验关联式： 补充： Heat Transfer ②对于水平空气夹层，推荐以下关联式： 式中：定性温度均为 数中的特征长度均为 。 Heat Transfer 实际上，除了自然对流外，夹层中还有辐射换热，此时通过夹层的换热量应是两者之和。 对竖空气夹层， 的实验验证范围： Heat Transfer 三、自然对流与强制对流并存的混