自然对流换热系数计算方法研究_陈孟
自然对流换热试验
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 -=∆，℃。
自然对流热设计的理论计算及仿真优化设计
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
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。
换热系数大自然对流课件
换热系数的计算方法
经验公式法
根据实验数据和经验，总结出换热系 数的计算公式，适用于特定条件下的 传热过程。
数值模拟法
通过建立数学模型和数值求解方法， 计算出物体间的换热系数，适用于复 杂结构和非线性传热过程。
换热系数的影响因素
流体性质
流体的物理性质如粘度、导热 系数和比热容等，对换热系数
有显著影响。
总结词
应对气候变化的自然对流措施
总结词
自然对流在气候预测中的作用
详细描述
针对气候变化对自然对流的影响，可以采取相应的措施来 减缓其不利影响，如加强环境保护、推广可再生能源等。
生态系统案例
总结词
湿地生态系统中的自然对流特征
详细描述
湿地生态系统中的自然对流具有独特的特征和规律，如湿 地中的水体流动、气体交换等。了解这些特征有助于深入 探究湿地生态系统的功能和机制。
温度差
物体间的温度差是换热过程的 驱动力，温度差越大，换热系 数越大。
表面状况
物体的表面状况如粗糙度、清 洁度和润湿程度等，能够影响 换热系数的大小。
流动状态
流体的流动状态如层流或湍流 ，对换热系数有较大影响，湍 流状态下的换热系数通常较大
。
02
大自然对流现象
对流现象的定义与分类
定义
对流是指流体内部由于温度、密度等物理性质的不均匀分布引起的宏观运动。
换热系数大自然对 流课件
目 录
• 换热系数概述 • 大自然对流现象 • 换热系数与大自然对流的关系 • 换热系数在大自然对流中的应用 • 案例分析
01
换热系数概述
定义与意义
定义
换热系数是指在单位时间内，单 位面积上所传递的热量与对应的 温度差之间的比值，用于描述物 体间的热量传递速率。
2016-2017年实验二,空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数（总结）
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
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
自然条件下空气的对流换热系数
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堆焊层
管嘴
封头
图 3 堆芯补水箱进口接管接管示意图及有限元模型
4.1 强迫对流
强迫对流换热系数按照迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）实验关联式[1]进行计算， k p （4） h = 0.023 ⋅ ⋅ Re 0.8 ⋅ Pr 0.3 f ID 4⋅ ρ ⋅Q p 其中：ID 为内径； Re = 为雷诺数，表征惯性力和粘性力之比的一种量度； Q 为体积 π ⋅ µ p ⋅ ID 流量。 通过计算，得到不同硼水温度下接管内壁的强迫对流换热系数，如表 1 所示。由于强迫对流
2 自然对流
根据传热学相关理论，原则上自然对流换热准则方程式应为：
2
Nu = f (Gr , Pr )
（1）
其中： Nu =
hn ⋅ L g ⋅ α ⋅ L ⋅ ∆T 为努塞尔数，表征壁面上流体的无量纲温度梯度； Gr = 为格拉晓 kp ν2
cp ⋅ µ p kp
夫数，表征浮升力和粘滞力的比值； Pr =
The Computational Method for Heat Transfer Film Coefficient of Nature Convection
Chen M eng Huang Q ing Weng Yu Jiang X ing Shen R ui
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai, 200233) Abstract This paper presents a method for computing the heat transfer film coefficient of nature convection. The equation obtained from a mass of tests is used as well as ANSYS code, and an iteration is performanced by using APDL language. An example is given to indicate that the computed film coefficients are reasonable by comparing with experimental data. This method can be used in stress analysis of equipments. Key words Film Coefficient of Nature Convection, iteration, ADPL
温度(℃) 内壁 外壁 5 50 100 150 10 200 250 300
图 4 接管与封头不同换热区域的划分 表 2 堆芯补水箱接管及封头区域自然对流换热系数 各区域换热系数(W/m2/℃) D1 D2 D3 D4 D5 D6 2.74 2.74 2.74 2.74 85.35 89.58 5.24 5.24 5.23 5.23 273.21 285.69 6.53 6.53 6.52 6.51 490.08 511.04 7.18 7.18 7.16 7.15 667.32 695.17 7.65 7.65 7.64 7.63 819.39 852.94 7.89 7.89 7.87 7.86 949.65 988.76 8.10 8.10 8.09 8.08 1086.78 1131.61
5
（2）对于外壁与空气的自然对流换热来说，结构截面形状的影响不是很大。 （3）从强迫对流和自然对流换热系数计算结果可以看出，在流量较小的情况，自然对流换 热系数比强迫对流换热系数大，换热形式以自然对流为主。
5 结论
本文提出一种了结合自然对流换热实验关联式和 ANSYS 及其 APDL 的编程功能，通过结构 热分析迭代计算自然对流换热系数的计算方法，通过算例，证明采用该方法计算得到的自然对流 换热系数具有一定的可信度。
1 前言
自然对流是指不依靠泵和风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。不均 匀温度场造成了不均匀密度场，由此产生的浮升力成为对流运动的动力。自然对流换热是指由自 然对流引起的换热现象。自然对流换热广泛地存在于自然界中，如不用风扇强制冷却的电器元件 的散热等。 自然对流换热现象在核电厂中也广泛存在，如运行工况下，反应堆压力容器顶盖内壁与一回 路冷却剂之间，由于流速很小，其换热形式为自然对流换热；另外，如堆芯补水箱的泄漏工况， 泄漏流量很小，堆芯补水箱内部硼水与内壁之间是自然对流换热。 在设备应力分析中，尤其是对于核安全 1 级设备，需要计算温度梯度引起的热应力，而温度 分布需要通过热分析得到。在热分析过程中，一般情况下将流体温度作为边界条件施加到有限元 模型中，同时施加相应的换热系数。因此换热系数是设备进行热分析所需的设计输入。 换热系数可由热工水力分析得到，但需要进行流体动力学分析，对于结构力学工程师来说具 有较大的困难。本文根据传热学相关理论，利用自然对流换热实验关联式和 ANSYS 有限元软件 的结构稳态热分析，通过 APDL 语言编程进行迭代计算，求得自然对流换热系数。
Nu = C ⋅ (Gr ⋅ Pr )n
（2）
n
或
k p g ⋅ α ⋅ L3 （3） hn = C ⋅ ⋅ Pr ⋅ ∆T n 2 L ν 其中 C、n 是由实验确定的常数，不同的表面形状及位置，其 C、n 值不同；相同表面形状和 位置情况下，流体流动形式不同，其 C、n 值也不同，见参考文献[1]。 该关联式用于大空间自然对流换热系数的计算，但可应用到比形式上的大空间更广的范围， 因为在许多实际问题中，虽然空间不大，但热边界层并不相互干扰，因而可以应用大空间自然对 流换热的规律计算[2]。例如经实验验证，对于被同样加热的两个热竖壁形成的空气夹层（图 1） ， 底部封闭时，只要 a/H>0.28，壁面的换热就可应用大空间的换热规律计算；底部开口时，只要 b/H>0.01，壁面换热也可按大空间自然对流处理。因此，所谓的大空间，实际上只要边界层不受 干扰就可以适用，不必拘泥于几何形式上的很大或无限大。
3
图 2 自然对流换热系数计算迭代流程图
4 算例
以堆芯补水箱进口接管（图 3）为例，介绍自然对流换热系数的计算方法以及计算结果比较。 堆芯补水箱的泄漏设计瞬态，其平均流量为 0.13kg/s。由于流量是由硼水的重力产生的，属 于一种外力，因此该流量将产生强迫对流；另一方面，由于该瞬态流量小，因此流速慢，由流体 内部的密度差所引起的流动可能较大，即自然对流换热能力可能比强迫对流换热能力更强。下面 分别对强迫对流和自然对流换热系数进行计算。
自然对流换热系数计算方法研究
陈孟 黄庆 翁羽 蒋兴 沈睿
(上海核工程研究设计院，上海，200233) 摘 要：自然对流换热广泛地存在于核电厂的设备中，如反应堆压力容器顶盖内壁与一回路 冷却剂之间即为自然对流换热。本文根据传热学相关理论，利用自然对流换热实验关联式和 ANSYS 有限元软件的结构稳态热分析，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。本文通过算例计算自然对流换热系数，并与实验结果进行比较，说明结果的准确性和 该方法的可行性。 关键词：自然对流换热系数，迭代计算，APDL 编程
为普朗特数，表征流体热边界层与流动边界层
的相对厚度；h n 为自然对流换热系数；L为特征长度；k p 为流体热传导率；g为重力加速度；α为 体膨胀系数；ν为流体粘度；ΔT为壁温和流体表面温度之间的温差；μ p 为流体动力粘度；c p 为流 体比热。 对于大空间自然对流换热，工程中广泛应用的是比公式（1）更简单的关联式：
D7 91.10 297.91 538.68 736.26 906.12 1051.97 1205.64
4.3 小结
（1）通过大量实验，对于自然对流来说，空气的换热系数一般在 1~10W/m2/℃之间，水的 换热系数一般在 200~1000W/m2/℃之间。从计算结果来看，外壁与空气之间的自然对流换热系数 结果吻合地较好；对于内壁与硼水之间的自然对流换热系数，除了高温和温度较低时，其它都吻 合得较好，这可能是由于一回路冷却剂是高压的缘故。
图 1 两个热竖壁形成的空气夹层内的热边界层
3 计算方法
对于结构热分析来说，主要目的是得到结构上的温度分布，即壁温未知，因此流体温度和壁 温的温差 ΔT 也是未知的。在这种情况下，仅从自然对流实验关联式无法计算换热系数。另一方 面，ANSYS 稳态热分析将流体温度和换热系数作为结构热分析的边界条件，通过有限元分析可 以得到结构的温度场分布。因此本文结合 ANSYS 稳态热分析和自然对流换热实验关联式，提出 一种迭代的计算方法，具体描述如下： 首先假设一个换热系数试算值，用 ANSYS 稳态热分析计算得到结构的温度场分布，然后根 据实际流体温度和有限元计算得到的壁温求得温差，应力用自然对流实验关联式计算该温差下对 应的换热系数，继而可用 ANSYS 进行第二次稳态热分析进行迭代分析。如果 ANSYS 稳态热分 析前后的换热系数相差不超过 1%，即可认为迭代收敛，得到最终的换热系数。具体迭代流程如 图 2 所示。 该方法具有以下优点： （1）通用性强。该方法没有特殊的针对性，因此适用于自然对流引起的换热系数计算； （2）无须建立额外的计算模型。由于结构热分析本身就需要建立热分析有限元模型，因此 该方法只需调用模型即可； 由于 ANSYS 迭代计算是通过结构热分析进行的， 无须建立流体模型。 （3）可利用 ANSYS 参数化设计语言(APDL)，通过编程，达到 ANSYS 迭代计算的目的，提 高工作效率。
6 参考文献
[1] 钱滨江，伍贻文，常家芳，丁一鸣. 简明传热手册. 北京：高等教育出版社，1983.188-189. [2] 杨世铭，陶文铨.传热学.北京：高等教育出版社，1998(第三版)，182.
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换热系数与内径成反比，因此封头内壁的换热系数比接管内壁更小。 表 1 接管内壁强迫对流换热系数 5 50 100 150 温度(℃) 26.62 48.76 69.07 82.70 换热系数(W/m2/℃)