求解自然对流换热问题的高效方法
作者：黄建利
作者机构：吉林市热力有限公司
来源：区域供热
ISSN：1005-2453
年：2010
卷：000
期：001
页码：40-43
页数：4
正文语种：chi
关键词：紧致差分格式;非等距网格;投影法
摘要：通过泰勒展式系数匹配的方法构造了基于非等距网格的紧致差分格式,并将其与投影法相结合,得出了求解自然对流换热问题的新算法,该算法用基于交错网格的压力泊松方程求解压力项,满足相容性条件.数值实验表明,紧致差分格式比经典差分格式能够得到更高精度.
第五章 对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 5.1内容提要及要求 5.1.1 对流换热概述 1．定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式w f ()q h t t =-是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 2．影响对流换热的因素 （1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 （2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 （3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 （4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 （5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ()w f p ,,,,,,,,h f u t t c l λραμ= 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。 3．分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 2x x w,x W/(m K)t h t y λ??? ?=- ? ? ??? 由上式可有 2x x w,x W/(m K)h y λθ?θ?? ?=- ? ? ??? 其中θ为过余温度，t t θ=-。
多孔泡沫金属表面强化空气对流换热的实验研究? 施明恒，陈振乾 东南大学能源与环境学院，江苏南京（210096） 摘要：本文对空气流过泡沫金属表面的换热特性进行了实验研究。泡沫金属试件是一个泡沫铝园盘。实验表明，泡沫多孔壁面对空气对流换热过程具有明显的强化作用，与光表面相比，无论是自然对流还是强制对流，换热的强化效果都在20％以上。泡沫多孔壁面强化空气对流换热的机理是主流以外的二次流和微对流所引起的附加换热作用。可以预期，泡沫多孔壁在提高各类风冷器和太阳能通风壁空气对流换热过程中有广阔的应用前景。 关键词：泡沫金属，对流换热，强化传热，实验研究 1.前言 在可再生能源的利用中，提高可再生能源的利用效率是可再生能源规模化利用中迫切需要解决的一个首要问题。其中，最关键的是要尽可能地提高可再生能源利用中各类热量交换和传递过程的效率和强度。因此，各类强化换热的新材料和新技术已成为可再生能源利用领域的一个研究热点。多孔泡沫金属材料由于其特有的性能，在蓄能和强化换热中受到了人们的广泛关注。多孔泡沫金属表面和内部呈现大小不一的空洞，空洞可以是闭孔，也可以是互相沟通的开孔。在开孔的情况下，多孔泡沫金属材料的容重很小，可以浮在水中。由于其内部充满空气，泡沫金属的导热系数比金属的导热系数要小一个数量级以上。从强化换热的角度看，泡沫金属是一种十分理想的强化换热材料，而从保温的角度来说，泡沫金属又是一种有效的隔热介质。近年来，关于泡沫金属的传热与力学特性的研究已经受到了学术界和工程界的广泛关注。其中对泡沫金属内部的对流和相变换热的研究已有不少的报道[1―5], 但是对于在可再生能源利用中具有重要应用前景的沿泡沫金属表面外部对流换热、泡沫金属储能和强化能量交换的研究还少有报道。例如，在太阳能的被动利用技术中，太阳能通风壁（特朗伯墙）虽然已得到了广泛的应用，但是如何提高集热墙的畜热能力和提高集热墙表面与夹层空气间的对流换热一直是人们研究的热点。初步分析表明，采用泡沫金属层有可能达到上述目的。为此，本文将对空气流过泡沫金属表面的换热特性进行实验研究，为各类空冷器和新型太阳能通风壁的设计提供理论基础。 2.实验系统和实验方法 泡沫金属对流换热实验系统由泡沫金属试件、加热器、风机和测试系统所组成，如图1所示。泡沫金属试件是一个泡沫铝园盘，直径70 mm, 厚度为10 mm。泡沫铝为开孔结构，最大孔径（当量直径）为5 mm，最小孔径为1 mm, 空隙率为70%。泡沫金属试件被一环形电加热带所包围，外侧为绝热层，固定在一可转动的胶木板架上，泡沫金属试件可以位于垂直或水平位置，分别进行自然对流和强制对流实验。在泡沫金属试件的中心到外缘，分别埋设了四对直径为0.2 mm的镍铬－镍铝热电偶，用于测量试件的表面温度。空气平均流速由热线风速计在距试件表面中心上方3cm处测定。 实验时先对同样材料和尺寸的实心平园盘进行对流换热实验，然后在同样的加热与送风条件下对泡沫金属试件进行对流换热实验。经分析，温度测量误差不超过±0.5 °C, 空气流速的测量误差为±0.1 m/s, 加热功率由精度为1级的功率表测量，误差为1.0％。 ?本课题得到高等学校博士点基金资助 (2004 0286029)。
第四章循环流化床锅炉炉内传热计算 循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程，传热系数的计算精度直接影响了受热面设计时的布置数量，从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一，也是区别于煤粉炉的重要方面。 随着循环流化床燃烧技术的日益成熟，有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法的研究也在迅速发展。许多著名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工作，有的已经形成商业化产品使用的设计导则。 但由于技术保密的原因，目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流化床锅炉炉膛传热计算方法，因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义。 清华大学对CFB锅炉炉膛传热作了深入的研究，长江动力公司、华中理工大学、浙江大学等单位也对CFB锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索。根据已公开发表的文献报导，考虑工程上的方便和可行，本章根椐清华大学提出的方法，进一步分析整理，作为我们研究的基础。为了了解CFB锅炉传热计算发展过程，也参看了巴苏的传热理论和计算方法，浙江大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似。 4.1 清华的传热理论及计算方法 4.1.1 循环流化床传热分析 CFB锅炉与煤粉锅炉的显著不同是CFB锅炉中的物料(包括煤灰、脱硫添加剂等)浓度C p 大大高于煤粉炉，而且炉内各处的浓度也不一样，它对炉内传热起着重要作用。为此首先需要计算出炉膛出口处的物料浓度C p，此处浓度可由外循环倍率求出。而炉膛不同高度的物料浓度则由内循环流率决定，它沿炉膛高度是逐渐变化的，底部高、上部低。近壁区贴壁下降流的温度比中心区温度低的趋势，使边壁下降流减少了辐射换热系数；水平截面方向上的横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换，同时近壁区与中心区的对流和辐射的热交换使截面方向的温度趋于一致，综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强，总辐射换热系数明显提高。在计算水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器和屏式再热器时需采用不同的计算式。物料浓度C p对辐射传热和对流传热都有显著影响。燃烧室的平均温度是床对受热面换热系数的另一个重要影响因素。床温的升高增加了烟气辐射换热并提高烟气的导热系数。虽然粒径的减小会提高颗粒对受热面的对流换热系数，在循环流化床锅炉条件下，燃烧室内部的物料颗粒粒径变化较小，在较小范围内的粒径变化时换热系数的变化不大，在进行满负荷传热计算时可以忽略，但在低负荷传热计算时，应该考虑小的颗粒有提高传热系数的能力。 炉内受热面的结构尺寸，如鳍片的净宽度、厚度等，对平均换热系数的影响也是非常明显的。鳍片宽度对物料颗粒的团聚产生影响；另一方面，宽度与扩展受热面的利用系数有关。根
自然对流强化换热 班级：14040203 姓名：吴端 学号：2011040402121
1.概述 当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。一方面是由于自然对流强化效果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。 利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。 2.原理 利用振动可以强化传热早已为人们所认识，在1923年就有关于在静止流体中振动换热面以增强传热效果的相关研究。早期研究的主要手段为传热实验，随着数值计算方法及计算机技术的发展，自80年代人们开始对振动对流换热问题进行数值分析。研究结果表明，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。。传热实验中，采用的振动源形式主要有以下几种： 1)机械振动或电动机驱动偏心装置产生，早期的实验均采用该方法； 2)流体绕流诱导传热元件产生，如在换热器中的管束： 3)超声波激励换热元件产生。下面分别就这三个方面分别展开综述，其中，A表示振幅，厂表示振动频率，D表示管直径，U表示来流速度，尺P表示雷诺数，h表示表面传热系数。 机械振动为传热实验中最为常用的振动源，一般情况下，机械振动装置结构简单，并且能够比较方便调节振幅、频率等参数，这对于深入研究振动参数对传热的影响具有不可替代的作用。 表1．2、1．3分别为自然对流、强制对流条件下振动传热研究概况，表中
自然对流换热
自然对流 1.竖板 2.水平管 3.水平板 4.竖直夹层 5.横圆管内侧
竖直平板在空气中自然冷却： 2 2 2 20x u v x y u u dp u u v F x y dx y t t t u v a x y y ρη??+=???????+=-+ ?????????+=???x F g ρ=-dp g dx ρ∞=-温度分布速度分布
竖直平板在空气中自然冷却： 222 20x u v x y u u dp u u v F x y dx y t t t u v a x y y ρη??+=???????+=-+ ?????????+=???温度分布速度分布 ()2 2 u u u u v x y y g ρρρη∞?????+=+ ?????? -11t t t ρρρρραρρρθ ∞∞--???=-≈= ??-
竖直平板在空气中自然冷却： 2 2 2 20u v x y u u u u v x y y v x g u a y y ρθρθθθαη??+=???????+=+ ?????????+=???温度分布速度分布 ,,,,u x y u v X Y U V u L L θ θ====Θ=
竖直平板在空气中自然冷却： 2 22 2 2 0w a a a U V X Y g L U U U U V X Y u L u Y a U V X Y u L Y αθν??+=?????+=Θ+????Θ?Θ?Θ+=???a w g L u αθ?: 数量级分析=a w g u L αθ取
水平管和竖直管自然对流计算汇总 1.计算工况表 温度工况 计算结果 100℃150℃200℃250℃300℃ 传热系数h () 2 W m K ?水平管7.958 9.115 10.045 10.803 11.527 竖直管 4.715 5.369 5.899 6.335 6.754 换热量φ W 水平管75.962 141.388 215.734 296.472 385.128 竖直管45.008 83.390 126.703 173.860 225.649 最大速度 max u m/s 水平管0.476 0.537 0.585 0.697 0.736 竖直管0.840 1.050 1.180 1.290 1.390 2.变化曲线图
圆管自然对流的计算和数值模拟 已知条件如图1所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自 然对流换热，圆管外径38 D mm =，长度1000 L mm =，空气温度20 T C ∞ =，恒壁 温条件100,150,200,250,300 w T C =，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换 热时的空气最大速度。 图1 一、数值计算 1.自然对流换热系数和换热量的计算 1)圆管水平放置计算 以壁温100 w T=℃为例，计算过程如下： 特征长度：0.038 D m =； 定性温度()() 21002060 m w t t t C ∞ =+=+=； 查空气物性：() 0.029W m K λ=?；-62 =20.110m ν?；Pr0.696 = 空气的体积膨胀系数：()()1 12731602731 v m t K α- =+=+= 格拉晓夫数Gr： 大空间自然对流的实验关联式为： ()Pr n Nu C Gr =（1-1）根据计算的格拉晓夫数Gr选择合适的常数C和n（表1）： 表1 式（1-1）中的常数C和n 加热表面形流动情况示流态系数C和指数n Gr数适用范围 ()() 33 5 262 9.81/333100200.038 = 3.210 20.110 v w g t t D Gr α ν ∞ - -??-? ==? ? （）
对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一 步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 1. 对流换热概述 1.1. 定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式 q=?×(t w?t f) 是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 1.2. 影响对流换热的因素 (1)流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 (2)流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 (3)流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 (4)流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 (5)换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ?=f u,t w,t f,c P,ρ,α,μ,l 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。
1.3. 分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 ?x=λ Δt x et ey w,x W/(m2·K) 由上式可有 ?x=λ Δθx eθ ey w,x W/(m2·K) 其中θ为过余温度，θ=t w?t f。 对流换热问题的边界条件有两类，第一类为壁温边界条件，即壁温分布为已知，待求的是流体的壁面法向温度梯度；第二类为热流边界条件，即已知壁面热流密度，待求的是壁温。 由于对流换热问题的分析求解常常要求解包括连续性方程、动量微分方程和能量微分方程在内的一系列方程，因此它的求解过程比导热问题要困难得多。 2. 对流换热微分方程组 2.1. 连续性方程 二维常物性不可压缩流体稳态流动连续性方程： eu ex +ev ey =0 2.2. 动量微分方程式 动量微分方程式描述流体速度场，可从分析微元体的动量守恒中建立。它又称纳斯－斯托克斯方程，简称N·S方程。 ρeu eτ+ueu ex +veu ey =X?ep ex +μ(e2u ex2 +e2u ey2 ) ρev eτ+uev ex +vev ey =Y?ep ey +μ(e2v ex2 +e2v ey2 )
管内对流换热影响因素及其强化分析 摘要: 从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。 关键词：管内；对流；换热；强化换热 Influencing Factors and Enhancing Methods of Convective Heat Transfer in Tubes Lei Changkui Safety Engineering Class 1002 1003070210 Abstract: Some factors were summarized systematically according to the research in China and abroad in recent years, including convection flow state,phase-transformation,geometric factors, fluid pulse, fluid physical properties and viscosities. At the same time,some methods of enhancing heat transfer in tubes were also summarized,such as additives,electro-hydro-dynamical,metal foam filled pipes etc.Finally,the characteristics and the method of heat transfer enhancement were analyzed in high-medium temperature solar power systems. Key Words: tube,convection,heat transfer,heat transfer enhancing 0 引言 管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。近年来，随着市场经济的发展，热交换设备迫切需要符合节约能源、节省材料和降低成本的要求，这对强化设备的换热提出了更高的要求。众所周知，热量传递方式有热传导、热对流以及热辐射三种，因此强化传热的方法也势必从这三个方面来进行。作为热交换器中管内热流体的主要传热方式，管内对流换热的强化在热交换器强化换热研究中占有极其重要的地位。本文从理论及已有实验的角度对管内对流换热的影响因素及其强化换热的方法进行分析，以期对太阳能中高温热利用中大温差管内对流强化换热的研究提供指导和借鉴。 1 管内对流换热的理论分析 1．1 边界层理论 边界层是由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体，又称为流动边界层[1]。1940年德国普朗特提出著名的边界层概念后，经过发展，流体力学的研究已经证明，黏性流体存在着两种不同的流态: 层流(Re＜2
关系式 返回到上一层以下汇总了工程中最常见的几类对流换热问题的对流换热计算关系式，适用边界条件，已定准则的适用范围，特征尺寸与定性温度的选取方法。 一、掠过平板的强迫对流换热 应注意区分层流和湍流两种流态 ( 一般忽略过渡流段 ) ，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部 Nu 数和平均 Nu 数。 沿平板强迫对流换热准则数关联式汇总 注意：定性温度为边界层的平均温度，即。 二、管内强迫对流换热 (1) 流动状况不同于外部流动的情形，无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段，两者的长度差别很大。计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。 (2) 换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段，只有在流体的 Pr 数大致等于 1 的时候，两个边界层的入口段才重合。理解并准确把握两种典型边界条件 ( 恒壁温与恒热流 ) 下流体截面平均温
度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。 (3) 准则数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件，因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。还需要特别指出，绝大多数管内对流换热计算式 5f 对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用类比率关系式效果可能更好。下表汇总了不同流态和边界条件下管内强迫对流换热计算最常用的一些准则数关联式。 (4) 非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。 常热流 层流，充分发展段， 常壁温 层流，充分发展段， 充 - 充分发展段，气体， - 充分发展段，液体， ； 紊流，充分发展段，
对流换热系数的确定 核心提示：1.自然对流时的对流换热系数炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。2.强制对流时的对流换热系数(1)气流沿 1.自然对流时的对流换热系数 炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。 2.强制对流时的对流换热系数 (1)气流沿平面强制流动时气流沿平面流动时，烧结炉其对流换热系数可按表1-1的近似公式计算。 表1-1对流换热系数计算 vo=C4.65(m/s) x；o>4.65(m/s) 光滑表面a=5.58+4.25z'o a^V.Slvg78 轧制表面a-=5.81+4.25vo a=7.53vin. 粗糙表面o=6.16+4.49vo a=T.94vi78 气流沿长形工件强制流动时当加热长形工件时，循环空气对工件表面的对流换热系数可用下述近似公式计算 气流在通道内层流流动时气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的热导率，而与炉气的流速无关。 绝对黑体的概念 当物体受热后一部分热能转变为辐射能并以电磁波的形式向外放射，其波长从lfmi到若干m。各种不同波长的射线具有不同性质，可见光和红外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。各种物体由于原子结构和表面状态的不同，其辐射和吸收热射线的能力有明显差别。 当能量为Q的一束热射线投射到物体表面时，也和可见光一样，一部分能量Qa将被吸收，一部分能量Qr被反射，还有一部分能量Qu透射过物体(如图1-5)。按能量守恒定律则有
图1-5辐射能的吸收、反射和透过 如果A=l，则R=D=0，即辐射能全部被吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。 如果R=l，则A=D=0，即辐射能全部被反射，这种物体称绝对白体，简称白体。如果D= 1，则A=K=0，即辐射能全部被透过，这种物体称绝对透过体，简称透过体。 自然界中，黑体、白体和透过体是不存在的，它们都是假定的理想物体。对于一种实 际物体来说数值，不仅取决于物体的特性，还与表面状态、温度以及投射射线的波长等有关。为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔，此小孔即具有绝对黑体性质:所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔越接近黑体。当它们的面积比小于0.6%，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的吸收率A大于0.998，非常接近黑体。
振动表面自然对流强化换热的研究 孟恒辉，吴宏 北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 (100083) E-mail：menghenghui.student@https://www.doczj.com/doc/3912781261.html, 摘要：本文对振动表面自然对流的换热特性进行了实验研究。实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源，并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量。结果表明：振动对自然对流的强化可提高90.7%。在等热流密度条件下，振动能量越大，换热越好；在等振动能量条件下，热流密度越小，换热越强。本文的研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路。关键词：自然对流，强化换热，振动 中图分类号：TK124 1. 引言 当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。一方面是由于自然对流强化效果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。 现今大多数学者研究自然对流换热的出发点都是借鉴强迫对流的强化。通常不借助外界能量时，换热系数提高不大，以漩涡发生器而言，其换热系数最多只能提高20%，不能很好地满足实际需求。而借助适当的外部能量，将可使换热有大幅的提高。采用机械辅助装置、振动、电磁场、抽吸等各种方法均可通过增大换热系数来达到强化换热的目的。本研究将采用振动法研究其对换热的影响。 利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。Shine[1]研究了横向振动的平板在空气中的自然对流换热特性。研究结果表明，在振幅a=1.55mm,频率f=11~315HZ时，平板表面的平均对流换热系数提高30%；Blsnkenship[2]等研究了在参数振幅a=0.76mm,频率f=50HZ情况下的平板对流换热特性。研究发现，层流下平板的平均对流换热系数略低，紊流状态下可提高50%。此外，其它研究成果也表明[3-6]，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。上述文献只是泛泛的研究了振动对换热的影响，并没有给出温度分布以及具体的影响效果。所以，本实验着重通过温度场的分布，具体分析振动对换热的影响，具有较高的研究价值。 2. 实验设备 本实验目的为观测振动对换热的影响，所以振动装置是实验的关键。图1为实验设备示意图
绪论 1.冰雹落地后，即慢慢融化，试分析一下，它融化所需的热量是由哪些途径得到的？ 答：冰雹融化所需热量主要由三种途径得到： a 、地面向冰雹导热所得热量； b 、冰雹与周围的空气对流换热所得到的热量； c 、冰雹周围的物体对冰雹辐射所得的热量。 2.秋天地上草叶在夜间向外界放出热量，温度降低，叶面有露珠生成，请分析这部分热量是通过什么途径放出的？放到哪里去了？到了白天，叶面的露水又会慢慢蒸发掉，试分析蒸发所需的热量又是通过哪些途径获得的？ 答：通过对流换热，草叶把热量散发到空气中；通过辐射，草叶把热量散发到周围的物体上。白天，通过辐射，太阳和草叶周围的物体把热量传给露水；通过对流换热，空气把热量传给露水。 3.现在冬季室内供暖可以采用多种方法。就你所知试分析每一种供暖方法为人们提供热量的主要传热方式是什么？填写在各箭头上。 答：暖气片内的蒸汽或热水对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁对流换热和辐射室内空气对流换热和辐射人体；暖气片外壁辐射墙壁辐射人体 电热暖气片：电加热后的油对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁对流换热和辐射室内空气对流换热和辐射人体 红外电热器：红外电热元件辐射人体；红外电热元件辐射墙壁辐射人体 电热暖机：电加热器对流换热和辐射加热风对流换热和辐射人体 冷暖两用空调机（供热时）：加热风对流换热和辐射人体
太阳照射：阳光辐射人体 4．自然界和日常生活中存在大量传热现象，如加热、冷却、冷凝、沸腾、升华、凝固、融熔等，试各举一例说明这些现象中热量的传递方式？ 答：加热：用炭火对锅进行加热——辐射换热 冷却：烙铁在水中冷却——对流换热和辐射换热 凝固：冬天湖水结冰——对流换热和辐射换热 沸腾：水在容器中沸腾——对流换热和辐射换热 升华：结冰的衣物变干——对流换热和辐射换热 冷凝：制冷剂在冷凝器中冷凝——对流换热和导热 融熔：冰在空气中熔化——对流换热和辐射换热 5.夏季在维持20℃的室内，穿单衣感到舒服，而冬季在保持同样温度的室内却必须穿绒衣，试从传热的观点分析其原因？冬季挂上窗帘布后顿觉暖和，原因又何在？ 答：夏季室内温度低，室外温度高，室外物体向室内辐射热量，故在20℃的环境中穿单衣感到舒服；而冬季室外温度低于室内，室内向室外辐射散热，所以需要穿绒衣。挂上窗帘布后，辐射减弱，所以感觉暖和。 6.“热对流”和“对流换热”是否同一现象？试以实例说明。对流换热是否为基本传热方式？ 答：热对流和对流换热不是同一现象。流体与固体壁直接接触时的换热过程为对流换热，两种温度不同的流体相混合的换热过程为热对
Advances in Porous Flow 渗流力学进展, 2016, 6(1), 1-8 Published Online March 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/3912781261.html,/journal/apf https://www.doczj.com/doc/3912781261.html,/10.12677/apf.2016.61001 Experimental Investigation of Natural Convection in Metal Foam-Water Zhao Peng, Yang Pan, Weiyang Qian School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi Received: Mar. 6th, 2016; accepted: Mar. 28th, 2016; published: Mar. 31st, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/3912781261.html,/licenses/by/4.0/ Abstract In this paper, an experiment apparatus filled with metal foam-water is set up to investigate the problem of natural convection about porous medium. A mechanism of natural convection of metal foam-water is investigated by experiments. Influences of heating power and angle of inclination on natural convection in the cavity filled with metal foam-water are discussed. It is found that the Nusselt number increases with heating power and decreases with the angle of inclination and pore density PPI of metal foam. A correlation of Nusselt number and Raleigh number is obtained when the cavity is horizontal with 5 PPI and 10 PPI. Keywords Metal Foam-Water, Natural Convection, Difference of Temperature, Pore Density 金属泡沫–水的自然对流换热实验研究 彭招，潘阳，钱维扬 华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 收稿日期：2016年3月6日；录用日期：2016年3月28日；发布日期：2016年3月31日 摘要 本文针对多孔介质材料中的自然对流换热问题，通过搭建充满金属泡沫–水的实验装置，探究了金属泡
单相流体对流换热及准则关联式部分 返回一、基本概念 主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。 1、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性? 答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。 2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗? 答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。3、简述边界层理论的基本论点。 答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值； 边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大； 边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层； 流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）； 对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。 4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。
!第!"卷!第#期!!化!!!工!!!学!!!报!!!!!!!$ %&’!"!(%’#!)**!年#月!!+%,-./&!%0!123456/&!7.8,9:-;!/.8!<.=5.33-5.=!!125./"!!+,&; !)**!""""""""""""""# # # # 研究论文 梯度磁场作用下自然对流换热强化 杨立军C !杨昆仑)!任建勋)!宋耀祖) !C 华北电力大学!北京"动力工程系#电站设备状态监测与控制教育部重点实验室#北京C *))*"$ ) 清华大学工程力学系#传热强化与过程节能教育部重点实验室#北京C ***G ? "摘要%为验证梯度磁场作用下自然对流换热的变化规律#揭示热磁对流现象的机理#利用钕铁硼永磁体构建了楔形梯度磁场空间#并对位于该空间的封闭腔内的氧气自然对流换热进行了实验研究E 实验获得了氧气自然对流的激光散斑干涉图像#通过数据处理得到了氧气自然对流的温度场#进而获得了壁面局部W )分布E 结果表明#磁加速度近似与重力加速度方向相同的永磁梯度磁场布置可使氧气自然对流换热过程得到强化E 关键词%自然对流$换热强化$梯度磁场$磁加速度中图分类号%O FC )?!!!!!!文献标识码%R 文章编号!*?Q G S C C !#!)**!"*#S C C G C S *" (/:,-/&6%.[36:5%.23/::-/.903-3.2/.6343.:W ;=-/853.:4/= .3:56053&8M R (LV 5U ,.C "M R (L F ,.&,.)"]<(+5/.X ,.)"B A (L M /%‘,) !C H ’2-&3<’130;%0X ’&G 1#"1’’&"1##L ’47-80&-30&40;901,"3"01J 01"30&"1#- 1,9013&0+;0&%0X ’&%+-13G O )"2<’130;J "1"(3&40;G ,)6-3"01#W 0&3$9$"1-G +’63&"6%0X ’&:1"/’&("34#.’"="1#C *))*"#9$"1-$) H ’2-&3<’130;G 1#"1’’&"1#J ’6$-1"6(#L ’47-80&-30&40;G 1$-16’,!’-3>&-1(;’&-1,G 1’1 01(’&/-3"010;J "1"(3&40;G ,)6-3"01#>("1#$)-:1"/’&("34#.’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收到初稿#)**?S *"S )G 收到修改稿E 联系人及第一作者!杨立军!C D #*&" #男#博士E 基金项目!国家重点基础研究发展规划项目!L )****)"Q "$国家自然科学基金项目!!*?#"*C Q "E ! 引!言 处于不均匀磁场中的流体会受到磁场力的作用#这种磁场力又与流体温度场密切相关E 由于温度变化使磁场力发生改变而引起的流体流动一般称 为热磁对流E1/--,:23-9等’C ( 早在C D "G 年就研究 了可提供C ’!!O 磁场的电磁铁对氧气自然对流的影响E 之后#随着永磁材料的发展和高温超导技术的日益成熟#热磁对流的文献开始增多Ed -/5:2K Z /5:3等’)( 研究了通过超导磁体产生的强梯度磁场 !!] 3635[388/:3!)**?S *!S C Q E 1%--39Y %.85.=/,:2%-!N -EM R (L V 5U ,.E 自然对流与强制对流及计算实例 热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础——传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的效果。 下面就通过具体的计算来分别说明自然对流与强制对流的情况。 首先，自然对流的传热系数可以表述为公式（2）。 热流量=自然对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度） (2) 很多文献中都记载了计算传热系数的公式，可以把流体的特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算的时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气的特性值，简化了公式。 自然对流传热系数 h=2 .51C（⊿T/L）0.25（W/m2K） (3) 2.51是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热，2.51需要换成水的特性值。 公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。C和L从表1中选择。例如，发热板竖立和横躺时，周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C 就负责吸收这一差异。 代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异，因此，在计算的时候，需要从表1中选择相似的形状。 需要注意的是，表示大小的L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。 ⊿T是指公式（2）中的（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体与空气之间的温差越大，紧邻物体那部分空气的升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。 公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的，只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下，理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。 但是，如果发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算的难度也会增加。这种情况下，就要根据原始的理论公式，通过实验求出系数。也就是说，在公式（3）中，理论计算得出的数值0.25可以直接套用，C的值则要通过实验求出。 自然对流传热系数无法大幅改变 对流换热系数 流体与固体表面之间的换热能力，即物体表面与附近空气温差1℃、单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m^2·℃)。表面对流换热系数的数值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及空气的流速等都有密切关系。表面附近的气流速度愈大，其表面对流换热系数也愈大。如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或吸热）量也较大。对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。 对流传热系数也称对流换热系数。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即： q = h*(tw-t∞) Q = h*A*(tw-t∞) 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，单位W/m^2； tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K； A为壁面面积，单位m^2； Q为面积A上的传热热量，单位W； h称为表面对流传热系数，单位W/(m^2.K)。 对流换热系数h的物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为1K时，1m*1m壁面面积在每秒所能传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱。 如上所述，h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。 影响对流传热强弱的主要因素有： 1. 对流运动成因和流动状态； 2. 流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化）； 3. 传热表面的形状、尺寸和相对位置； 4. 流体有无相变（如气态与液态之间的转化）。 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。自然对流与强制对流及计算实例
对流换热系数
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