自然对流自然对流.ppt

6.3 自然对流 Natural Convection Heat Transfer 一、概述 静止的流体，与不同温度的固体壁面相接触，热边界层内、外的密度差形成浮升力（或沉降力） 导致流动 固体壁面与流体的温差是自然对流的根本原因 层流：GrPr108 湍流：GrPr1010 过渡区：108GrPr1010 自模化现象： 在常壁温或常热流边界条件下，达到旺盛紊流时，hx将保持不变，与壁面高度无关 二、自然对流换热的数学描述 竖壁上自然对流换热边界层微分方程组： 假设：twtf ; 流体物性除浮升力、密度外均为常量；密度与温度保持线性关系；取x坐标为流动方向 自然对流换热的数学描述 自然对流换热的数学描述 假设：密度与温度保持线性关系 体积膨胀系数： 无量纲温度： 其他无量纲： u0——任意选择的参考速度 格拉晓夫数(Grashof number) Gr：浮升力与粘性力的相对大小。Gr越大，浮升力的相对作用越大，自然对流越强 浮升力与惯性力之比 自然对流与强迫对流的相对强弱可以用Gr/Re2的数值大小判断 浮升力与惯性力数量级相同，自然对流与强迫对流叠加的混合对流换热。 纯强迫对流换热， 纯自然对流换热， 自然对流换热分类：流体所处的空间 a) 无限空间（大空间）自然对流换热 b) 有限空间自然对流换热 1) 竖直平板上的自然对流换热 三、大空间自然对流换热特征数关联式 (1) 局部表面传热系数 a) tw=const 时（第一类边界条件） 层流换热（A.J.Ede）： 湍流换热（Bailey）： b) qw=const 时（第二类边界条件） 层流换热（Fujii）： 湍流换热（Vliet and Liu）： (2) 平均表面传热系数 (3) 自然对流换热准则关联式常采用幂函数形式 注意：对于自然对流湍流换热，准则关联式为： tw=const 时（第一类边界条件） qw=const 时（第二类边界条件） 展开关联式后，等号两边的定性尺寸可以消去。表明自然对流湍流换热的表面传热系数与定性尺寸无关——自模化现象 大空间垂直壁面自然对流换热的特点： （1）浮升力是自然对流的动力，格拉晓夫数Gr对自然对流换热起决定作用； （2）自然对流边界层的最大速度在边界层内部，其数值随Pr增大而减小，位置向壁面移动； （3）对于液态金属除外的所有流体， 。随Pr增大，层流边界层厚度变化不大，但热边界层厚度迅速减小，壁面处温度梯度增大，换热增强； （4）Gr的大小决定了自然对流的流态，绝大多数文献推荐用瑞利数 作为流态的判据； （5）随着层流边界层的加厚，hx逐渐减小，当边界层从层流向紊流过渡时又增大。实验研究表明，在旺盛紊流阶段， hx基本上不随壁面高度变化。 四、有限空间的自然对流换热 有限空间的自然对流换热：热由封闭的有限空间高温壁传到它的低温壁的换热过程。 有限空间中的自然对流换热除了与流体性质、两壁温差有关外，还受空间位置、形状、尺寸比例等的影响。 1、竖壁封闭夹层的自然对流换热问题可分为三种情况 （1）夹层厚度δ与高度H之比 δ/H较大（大于0.3） 冷热两壁的自然对流边界层不会相互干扰。可按无限空间自然对流换热规律分别计算冷、热两壁的自然对流换热及夹层总热阻 （2）夹层厚度δ与高度H之比δ/H比较小（小于0.3），夹层内冷、热壁上两股流动边界层相互结合和影响，出现行程较短的环流；夹层中可能有若干个环流。 （3）夹层厚度δ与两壁温差都很小，很低（Gr2000）时，可以认为夹层内没有流动发生；通过夹层的热量可按纯导热计算。 2、水平夹层的自然对流换热问题可能有二种情况 （1）热面在上：冷热面之间无流动发生；若无外界扰动，则应按导热问题分析 （2）热面在下：对气体Grδ1700时可按导热过程计算Gr1700后夹层流动将出现上图的情形，形成有序的蜂窝状分布的环流 Gr5000后蜂窝状环流消失，出现紊乱流动 有限空间中的自然对流换热的计算 通常把两侧的换热用一个当量表面传热系数来表示： 封闭夹层空间自然对流换热准则关联式用下式表示： 定性温度： 特征长度： (tw1+tw2)/2 δ 式中 ?e 是流体的当量导热系数,