自然对流换热系数计算方法研究_陈孟

自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。

二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。

即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。

当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。

根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。

为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。

条件:1. 整体采用自然对流的方式，不考虑器件的热辐射。

2. 散热器基板尺寸暂定:L270mm*W240mm 。

3. 环境温度：。

C t a °=454. 自然对流时无风扇，则无需考虑压强。

一、计算1. 模块工作温度-40℃~150℃，则≤j t 120℃；模块总功耗220W ，那么模块总热阻W C R R R f C c j f j /0953.00023.0093.0°=+=+=−−−,则散热器温度C W C W C t sa °=°×−°=99)/0953.0220(1202. 整体采用自然对流，则换热系数(安全余量)C m W h °•=2/33. 散热器面积计算：2236.1)4599(/3220m C C C m W W t h A =°−°×°•=ΔΦ= 由于散热器采用压接方式，所以会增在热阻，那么需乘上修正系数1.1，则:2496.11.1*36.1m A ==4．肋间距计算：由于安装时散热器是竖立放置，那么肋片高度H=L=0.27m ，取定性温度，则空气的物理特性：C t t a f °==451310145.3−−°×=C β，，s m v /1046.1726−×=698.0=pr ，则：mmm C C C s m m t Lv b 8.70078.0698.0)4599(1015.3)/1046.17(27.05.1Pr 5.125.01322642==⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×°−°×°×××=Δ=−−−β 由于考虑到产品加工问题，取肋间距为整数：mm b 8=。

5．肋片厚度计算:为了使Bi 数较小，肋片以薄为宜,但如果肋片厚度过小，将给加工增加困难，取平均肋片厚度δ＝1.5mm 。

对流换热系数计算公式对流换热是指物体通过与流体介质接触，通过传导和对流传热方式将热量传递到流体介质中的过程。

在工程领域中，计算对流换热系数是非常重要的，因为它可以用来确定热传递的速率和效率。

对于不同的情况和应用，有多种不同的计算公式可以用来计算对流换热系数。

一般来说，对流换热系数可以通过下面的公式进行计算：h = α * λ / L其中，h是对流换热系数，α是换热系数，λ是热导率，L是特征长度。

这个公式可以应用于一维对流换热的情况，例如平板上的自然对流换热。

在实际应用中，常用的对流换热系数计算公式有很多种，下面将介绍其中几种常用的公式。

1. 冷却水冷却塔中的对流换热系数计算公式：在冷却水冷却塔中，通常使用的计算对流换热系数的公式是Lockhart-Martinelli方法。

这个方法适用于传统冷却塔中的冷却效果。

对于水和空气的组合，Lockhart-Martinelli公式可以表示为：h = (C * ((ρ^2 * μ^2 * g * ΔP) / (λ * (ρ^2 + μ^2)^0.5)))^(1/3)其中，h是对流换热系数，C是常数，ρ是密度，μ是动力粘度，g 是重力加速度，ΔP是压力降，λ是热导率。

这个公式可以通过测量流体的物理性质和实验数据来计算对流换热系数。

2. 管内对流换热系数计算公式：在管内对流换热中，常用的计算公式是Dittus-Boelter公式。

对于液体在光滑管道中的对流换热系数，Dittus-Boelter公式可以表示为：Nu = 0.023 * Re^0.8 * Pr^0.33h = (Nu * λ) / D其中，Nu是Nusselt数，Re是雷诺数，Pr是普朗特数，h是对流换热系数，λ是热导率，D是管道直径。

在这个公式中，Re计算了流体的惯性力与黏性力的比例，Pr计算了流体的动量和热量的比例。

3. 计算炉内对流换热系数的公式：在工业炉内的对流换热中，常用的计算公式是Gnielinski公式。

对流换热系数计算方法Calculating convective heat transfer coefficients is a crucial task in various engineering applications, as it helps engineers understand how heat is transferred between a solid surface and a fluid medium. The convective heat transfer coefficient represents the rate at which heat is transferred through convection, which is the process by which heat is transferred between a solid surface and a fluid by the motion of the fluid. This coefficient is influenced by several factors, including the properties of the fluid, the velocity of the fluid, the temperature difference between the solid surface and the fluid, and the geometry of the system. Therefore, accurately calculating the convective heat transfer coefficient is essential for designing efficient heat transfer systems.计算对流换热系数在各种工程应用中都是至关重要的任务，因为它有助于工程师了解热量如何在固体表面和流体介质之间传递。

实验二、 空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数一、实验目的1．测定空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数。

并将数据整理成准则方程式。

2．了解对流换热系数的实验研究方法，学会用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。

二、实验原理实验研究的是受热体（圆管）在大空间中的自然对流换热现象。

根据传热学和相似原理理论，当一个受热表面在流体中发生自然对流换热时，包含自然对流换热系数的准数关系式可整理为：()nb b Grc Nu Pr ⋅= (2-1) 式中： λalNu =——努谢尔特准数；t vgl Gr ∆⋅=β23——葛拉晓夫准数； l —物体的特性尺寸，实验中为管径d ；α —对流换热系数(W/m 2·℃)；λ —— 流体（空气）的导热系数(W/m 2·℃)；v —— 流体（空气）的运动粘度(m 2/s ）；m T /1=β——流体的体积膨胀系数(1/K)。

T m ——定性温度，实验中取()2732/0++=t t T w m ，t w 和t 0分别为圆管壁面温度和室内温度；0t t t w -=∆是过余温度（℃）；c 、n ——待定实验常数，需根据实验数据用最小二乘法进行确定。

角标“b ”表示以边界层平均温度作为定性温度。

由于在一般情况下，实验管表面散失热量Q 以对流和辐射两种方式散发的。

r c Q Q Q += (2-2)式中，Q — 表面散失热量 (W)，；Q ＝IV ；Q c — 自然对流散失热流量 (W)Q r — 辐射散失热流量 (W)。

实验管可以被看做为被其他物体（房屋、地面）包围的面积很小的凸物体，它的辐射热量为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=44100100O W O s T T F C Q ε（W ） (2-3)C 0为绝对黑体辐射系数，C 0＝5.67（W/m 2·K 4）；T w 、T o 分别为壁温和周围物体的平均温度 (K)（近似取室温）；F 为实验管辐射散热有效面积即为其圆周面积（m 2）。

竖环形夹层内自然对流换热的实验研究及数值计算现如今，全球能源需求不断增长，能源的合理利用已成为全球热议的话题。

随着科技的发展，换热技术的运用越来越普遍。

换热器具有传热效率高、能耗低的优点，广泛应用于食品、医药、石油化工、电力、冶金、汽车等行业。

竖环形夹层换热器是一种新型的换热器，它由一个夹层和多个竖环形介质组成，在某些特殊工况下，具有良好的换热性能和热效率。

因此，竖环形夹层换热器在现代工业中有着重要的作用。

1.2究目的竖环形夹层换热器的换热性能和热效率依赖于内部介质的自然对流换热，因此，研究竖环形夹层内自然对流换热的实验研究和数值计算，可以更好地了解换热器的工作性能，从而为设计提供有效的依据。

本文的研究目的是通过实验研究探究竖环形夹层换热器内自然对流换热的特征，并基于数值模拟，分析不同参数对热性能的影响机理，为竖环形夹层换热器的设计与优化提供有效的理论支持。

第二部分验研究2.1究设备实验采用自制的竖环形夹层换热器，其外形如图1所示，包括水流导管、热源导管两个部分。

热源导管的长度为2.5 m，直径为38 mm，采用SUS316材质制成。

水流导管的长度为2.5 m，直径为38 mm，采用SUS316不锈钢材质制成。

夹层以0.3 mm石墨衬底，覆盖石墨层的厚度为1.2 mm，夹层内径为38 mm，夹层外径为45 mm。

热源温度为70，水流温度为50左右。

2.2验方法本实验采用的是一种基于流压损失的试验方法，在恒定的加热量、水流量和热源温度下，测量换热器内介质进出口的温度，并根据压降-流量关系，绘制出换热器内介质进出口温度随流量变化的趋势图，从而得到各种流量、温度和压降等性能指标。

第三部分值计算3.1仿真数据准备3.1.1仿真模型本文采用COMSOL Multiphysics热仿真软件，建立竖环形夹层换热器的三维热仿真模型，分别考虑竖环形介质的热属性和流体流动特性。

3.1.2仿真参数仿真结果的准确性取决于仿真参数的准确性。

自然条件下空气的对流换热系数
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基于ANSYS的自然对流换热系数计算方法研究陈孟【期刊名称】《现代计算机（专业版）》【年(卷),期】2016(000)011【摘要】对流换热系数是设备温度场分布计算中必不可少的参数之一，尤其对于自然对流换热，其换热系数计算无法通过现有的经验计算公式确定。

提出结合自然对流换热系数经验计算公式和ANSYS有限元软件结构稳态热分析，通过APDL语言编程进行迭代计算，从而求得自然对流换热系数的方法。

%The heat transfer film coefficient is one of the most important input parameters in thermal analysis of equipment. For natural convection, the heat transfer film coefficient cannot be determined by existing experiential equations. Presents a method for computing the heat trans-fer film coefficient of natural convection, combining the experiential equations and thermal analysis using ANSYS FEM code. An iteration is performanced by using APDL language to obtain the heat transfer film coefficient.【总页数】3页(P24-26)【作者】陈孟【作者单位】上海核工程研究设计院，上海 200233【正文语种】中文【相关文献】1.基于Ansys的水工隧洞复杂断面衬砌结构计算方法研究 [J], 李廷高;张宇;梁春雨2.基于VB的ANSYS二次开发及其在管道外自然对流换热系数确定中的应用 [J], 曹萌;仲梁维;陈粤3.基于 ANSYS 的管道外自然对流换热系数的确定 [J], 程宇;张巨伟4.基于VB的ANSYS二次开发及其在管道外自然对流换热系数确定中的应用 [J], 曹萌;仲梁维;陈粤5.基于ANSYS的自然对流换热系数计算方法研究 [J], 陈孟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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。

自然对流换热积分解（层流及湍流）重点需要理解的问题：1.自然对流换热积分解的过程与导热、强制对流有何区别？一、层流自然对流换热的积分解对于某些复杂的几何形状或边界条件，可以采用边界层积分方程式的方法求解自然对流换热问题。

采用积分方程的方式求解自然对流问题，不仅可以解层流，还可以解湍流；不仅可以解恒壁温边界条件，也可以解恒热流边界条件，所以它是一种对工程问题很有效的方法。

1、竖壁恒壁温层流自然对流换热积分方程解 ⑴积分方程及边界条件类似于强迫对流时所采用的方法，对自然对流的动量、能量方程各项 ×d x 并在0 ~ δ 间积分，假定流动边界层和热边界层具有相同厚度（即要求Pr ~ 1），可得dy t t g yu dy u dxd y ⎰⎰∞=-+∂∂-=δδβν2)(或：0)(=∞∂∂-=-⎰y yta dy t t u dx d δ或：应满足的边界条件：y = 0， u = 0, t = t w 0,0,=∂∂==yuu y δ, t = t ∞ ⑵速度分布 设32dy cy by a u uR+++=， 式中u R 是一假想的速度（边界层中某一特征速度），它是x 的函数。

之所以选择三次多项式的形式，是因为需要满足以下四个条件，而且这是我们可以应用的最简单的函数形式。

y =0时，0=u ，y =δ时，0=u ，y=δ时，0=∂∂y u ，y =0时，νβ∞--=∂∂t t g yuw 22，其中y =0时，νβ∞--=∂∂t t g y uw 22是根据y =0时0=u 、0=v 及()∞-+∂∂=∂∂+∂∂t t g yuy u v x u u βν22推得。

解得：()2214⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∞δδνβδy y u t t g u u R w R ，将涉及温差的项，δ2以及u R 均并入函数U 中，最后可以把速度分布关系式假定为：21⎪⎭⎫ ⎝⎛-=δδy y U u 。

⑶无量纲温度分布⑷积分解层流边界层：常物性、二维、稳态、无喷注条件下，假设有如下的无量纲速度分布：21⎪⎭⎫ ⎝⎛-=δδy y U u 和：21⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--=∞∞δθy t t t t w将速度、温度分布代入积分方程，积分并整理后可以得到()31052δβδνδ∞-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛t t g U U dx d w ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-∞∞30)()(2δδt t U dx d t t aw w 求解两式，目的是得到U 和 δ。

关于对流换热系数测量及计算方法本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！引言由于机械摩擦、内漏、流动及节流损失等原因，液压系统的压力能转化为热能，一部分通过壳体散逸到周围环境，另一部分贮存在油液中导致液压油温度升高。

油液温度过高，将产生热变形使精密结构卡滞、降低液压油的黏度、加速密封件老化，降低液压系统性能，甚至导致其功能丧失。

对流换热是液压系统散逸热量的主要形式，目前计算对流换热主要采用牛顿冷却公式，计算关键在于确定对流换热系数。

对流换热系数与流体和换热表面的物性、状态等诸多因素有关，这些因素具体如何影响对流换热系数至今仍没有一个明确公式能够反映，如何获得精确的对流换热系数是工程中的一个难点。

对流换热系数的概念提出后，国内外学者对其进行了长期研究，提出了不同的对流换热系数获得方法。

本研究首先介绍获得对流换热系数测试计算方法的发展，然后对目前工程上获得对流换热系数的方法进行概述，分析这些方法的优缺点、适用范围及发展前景，为液压系统对流换热系数的准确测量与计算提供借鉴。

1对流换热系数测量与计算方法的发展在牛顿冷却公式提出后相当长时间里，只能通过比较原始的实验方法，反复地控制变量进行实验，通过分析、计算实验所得大量数据来获得对流换热系数。

由于对流换热系数影响因素众多，变量控制困难，实验过程和数据处理相当繁琐。

20世纪60年代起，计算机技术在全球范围内逐渐得到广泛应用，数值方法求解流动和传热问题开始形成规模，并取得瞩目成果。

1981年第一款商用CFD 软件PHOENICS投放市场，之后商用CFD 软件越来越多的应用在工程实践中。

20世纪80年代后，随着计算机技术的飞速发展，数值方法在对流换热的研究和工程领域占有越来越重要的地位，如今已成为工程求解对流换热系数的主要方法之一。

2对流换热系数测量与计算方法概述目前工程上对流换热系数的计算方法主要有理论分析方法、实验测量方法和数值计算方法，下面分别加以描述。

自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。

二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。

即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。

当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。

根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。

为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。