文档介绍：自然对流
Natural Convection Heat Transfer
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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
自然对流
Natural Convection Heat Transfer
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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
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层流：GrPr<108
湍流：GrPr>1010
过渡区：108<GrPr<1010
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
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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：tw>tf ; 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
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自然对流换热的数学描述
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自然对流换热的数学描述
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假设：密度与温度保持线性关系
体积膨胀系数：
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无量纲温度：
其他无量纲：
u0——任意选择的参考速度
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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
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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，
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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（）：
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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）：
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(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
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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
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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。
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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。
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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（）
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
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（2）夹层厚度δ与高度H之比δ/H比较小（），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（Gr<2000）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Grδ<1700时可按导热过程计算Gr>1700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
Gr>5000后蜂窝状环流消失，出现紊乱流动
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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：
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定性温度：
特征长度：