什么是对流换热?

[拼音]：duiliu huanre

[外文]：convection heat transfer

流体与所接触的固体表面间的热量传递过程。它是热传导和热对流综合作用的结果，也称对流传热或对流放热。它是传热学的重要组成部分。在对流换热过程中，热量的传递是靠分子运动产生的“导热”和流体微团之间形成的“对流”这两种作用来完成的。传热强度不仅与对流运动形成的方式有关，而且还与流速和流体的物性参数，以及固体表面的状况、形状、位置和尺寸等因素有关。在不同的情况下，传热强度会发生成倍直至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

也称换热系数。对流换热的强度依据牛顿冷却定律，其基本计算公式是：

式中q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度；T W、Tf分别为固体表面和流体的温度；h称为传热系数，它表示在单位面积的固体表面上，当流体与固体表面之间的温度差为1K时，每单位时间内所传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱，如上所述，它与影响换热过程的诸因素有关，并且可以在很大的范围内变化，所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式。它既没有揭示影响对流换热的诸因素与h之间的内在联系，也没有给工程计算带来任何实质性的简化，只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了。因此，在工程传热计算中，主要的任务是计算h。计算传热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法。

通过实验求出h与诸影响因素之间的定量关系式。实验求解法是处理工程实际中复杂的对流换热问题的重要手段，也是其他求解方法的检验标准。

实验求解法是在相似理论的指导下，对求解的问题进行相似分析，求出与问题有关的无量纲数（由相应的物理参数组成）。每个无量纲数都具有一定的物理意义。与对流换热有关的最常见的无量纲数包括：

（1）努塞尔数Nu=hl/k，式中l为特征长度，h为传热系数，k为固体的热导率。它反映换热表面的温度梯度；

（2）雷诺数Re＝vl/v，式中v和v分别为流速的特征速度和运动粘度。它反映粘性对流动的影响；

（3）格拉晓夫数


，式中γ、g 和Δt分别为流体的体积膨胀系数、重力加速度和固体表面与流体之间的温度差。它反映浮升力对流动的影响；

（4）普朗特数


式中cp为定压比热容；η为动力粘度。它反映流体物性对流动中换热的影响。从数学上可以证明，任何物理量之间的关系都可以转换成相应的无量纲数之间的关系。因此传热系数 h与其影响因素之间的关系可以表示成Nu与其他无量纲数之间的关系:对于受迫对流换热Nu＝f(Re，Pr)；对于自然对流换热Nu＝f(Gr，Pr)。在这种关系式中，作为独立变量的数目大大减少，有利于实验数据的综合整理。在实验求解时，可以根据相似规律或改变模型尺寸，或更换流体种类进行研究。这种实验称为模化实验。

利用数学分析的方法直接求解微分方程组。由于方程组很复杂，这种方法只能求解极个别非常简单的对流换热问题（如光滑圆管内层流流动时的对流换热），尚难用于求解复杂的实际问题。20世纪初，德国物理学家L.普朗特提出边界层理论。他利用边界层极薄的特性的简化微分方程组，从而建立了可以数学求解的分析理论，开拓了对流换热向理论分析方向发展的道路，计算机的应用又显著扩大了解题能力。

把微分方程组的积分求解过程变换成相应的差分方程组的代数求解过程进行求解。这种解法的计算工作量非常大，但由于计算机的应用和各种新的实验技术的配合，这一方法的研究获得迅速发展，并正在形成传热学的一个新的分支──数值计算传热学。

形成对流的原因有两种：流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。

它又可分成大空间内自然对流换热和有限空间内自然对流换热两种。前者的无量纲关系式常表达为

式中下角标m表示无量纲数中的物性参数是根据温度tm=(to+tf)/2确定的，to和tf分别为固体表面和液体的温度；系数C和指数n的数值随固体表面的形状、大小和位置的不同而异。

有限空间内自然对流换热的关系式因空间的几何形状、大小和放置方位不同而异，所以公式繁多。在计算时须根据不同的问题查阅有关手册。

根据边界层形成和发展情况的不同，可以分成内部流动和外掠流动两种。根据流动状况的不同，这两种流动又各有层流和湍流(紊流)之分。对于不同流动方式的对流换热问题，须选用相应的无量纲数关系式来计算。例如，对于管内湍流换热，在104≤Ref ≤1.2×105、0.6≤Prf≤120、流体与固体表面的温差不大和壁面光滑的直管道等条件下，可以选用下式

式中下角标 f表示相应无量纲数中的有关物性参数都是根据tf来确定的。

参考文章

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