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5-9自然对流传热及实验关联式

重点内容：

各类自然对流传热现象流动及传热特征。

1自然对流产生的原因

自然对流是流场温度分布不均匀导致的密度不均匀分布，在重力场的作用下产生的流

体运动过程。而自然对流传热则是流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生

的热量交换过程。

引起自然对流的浮升力实际上来自流体的密度梯度以及与该密度梯度成正比的体积力

(或称为彻体力)的联合作用。在地球引力场范围内，最普遍存在的体积力是重力。当然

还可以是由旋转运动导致的离心力、电磁场中的电磁力等。造成介质密度梯度的原因也有多

种，其中最主要的是温度差。

在自然界、在现实生活中、以及在工程上，物体的自然冷却或加热都是以自然对流传

热的方式实现的。例如，在偏僻地区，一些平时无人看管的小变电站或电话中继站等，其发

热设备往往靠自然对流冷却。此外，管道、输电线的散热、电子器件的散热、暖气片对室内

空气的散热以及海洋环流、大气环流等都与自然对流有关。由于自然对流传热的传热强度比

较弱，尤其是在空气环境下，同时还存在着辐射传热，而且在温度比较高的情况下，辐射传

热的强度与自然对流传热的强度处于相同的数量级。因此，在自然对流传热的实际计算中辐

射传热是不可随意忽略的。

2自然对流传热的分类

自然对流传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传热；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传热。

一、无限空间自然对流传热

㈠流动及传热特征(以竖壁为例)

1、流动边界层的形成与发展

如图所示，考虑-块等温竖板周围空气的自然对流运动。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

流湍流时的传热当然也明显强于层流。

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。

自然对流强度主要取决于传热温差△t、板高l、容积膨胀系数α和运动粘度ν。

同样具有以下流态：

771010

层流：GrPr10；过渡区：GrPr=10-10；旺盛紊流：GrPr10；（GrPr）

c

9

一般取10。

2、传热特征

在层流边界层随着厚度的增加，局部传热系数将逐渐降低，当边界层内层流向紊流转变

队局部传热系数h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，

x

h将保持不久而与壁的高度无关。

x

自然对流与受迫对流最大的不同点在于流体的运动是由于温度差引起的，因而流体与传

热是密不可分的。为了讨论自然对流的流动和传热特征，这里以竖直平板在空气中的自然冷

却过程为例来进行分析，如图4－26所示。竖直平板在空气中冷却，由于空气的黏度很小，

因温度差引起的流体流动的范围十分有限。在垂直于壁面的方向上流体的速度从壁面处的

边界层速度分布曲线x

紊流流动状态

边界层温度分布曲线

x

t

∞

t

w

层流流