自然对流与强制对流及计算实例
对流传热系数的计算公式
对流传热系数的计算公式
对流传热系数是热传导中的一种传热方式，常用于热交换器、冷却塔、加热器等传热设备的设计与计算中。
对于流体在壁面上的流动，其对流传热系数与流速、温度、粘度等变量密切相关。
在实际应用中，针对不同的流体与流动状态，可采用不同的计算公式。
下面列举几种常用的对流传热系数计算公式：
1. 自然对流传热系数公式：
h = 1.13 * (gβΔT)^1/4
其中，h为对流传热系数，g为重力加速度，β为热膨胀系数，ΔT为壁面温度与流体温度的差值。
2. 强制对流传热系数公式：
Nu = CRe^mPr^n
其中，Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，C、m、n 为经验系数。
3. 线性对流传热系数公式：
h = kΔT
其中，k为比例常数，ΔT为温度差值。
需要注意的是，以上公式仅适用于理想条件下的流动状态，而实际应用中因存在多种不确定因素，其计算结果仅供参考，具体设计与计算仍需进行实际测试与验证。
- 1 -。
各种对流换热过程的特征及其计算公式
各种对流换热过程的特征及其计算公式对流换热是指热量通过传导和传导的方式从一个物体转移到另一个物体的过程。
在许多工程和自然现象中，对流换热都起着重要的作用。
下面是各种对流换热过程的特征及其计算公式。
1.强制对流换热：强制对流换热是指通过对流传热介质（如气体或液体）的外力驱动，使热量从一个物体转移到另一个物体的过程。
其特征包括：-较高的传热速率：由于外力使传热介质保持流动状态，因此强制对流传热速率较高。
-计算公式：Q=h*A*(Ts-T∞)其中，Q是传热速率，h是对流换热系数，A是传热面积，Ts是表面温度，T∞是流体温度。
2.自然对流换热：自然对流换热是指在没有外力驱动的情况下，通过自然气流或自然对流传热介质（如气体或液体）进行热量传输的过程。
其特征包括：-由温度差引起的自然循环：由于温度差异造成的密度差异，导致气体或液体在物体表面形成循环，从而传热。
-计算公式：Q=α*A*ΔT其中，Q是传热速率，α是自然对流换热系数，A是传热面积，ΔT 是温度差。
3.相变换热：相变换热是指物体在相变过程中吸收或释放的热量。
其特征包括：-温度保持不变：当物体处于相变过程中时，温度保持不变，热量主要用于相变过程。
-计算公式：Q=m*L其中，Q是传热速率，m是物体的质量，L是单位质量的相变潜热。
4.辐射换热：辐射换热是指通过电磁辐射传播热量的过程。
其特征包括：-不需要传热介质：辐射传热不需要传热介质，可以在真空中传递热量。
-计算公式：Q=ε*σ*A*(Th^4-Tc^4)其中，Q是传热速率，ε是辐射率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，A 是物体表面积，Th和Tc分别是辐射物体和周围环境的温度。
总结：不同的对流换热过程具有不同的特征和计算公式。
在实际应用中，根据具体的情况选择适当的计算公式可以帮助我们准确计算和分析热量的传递过程。
要注意，实际的对流换热过程可能是多种换热方式的复合，需要综合考虑不同的换热方式。
强制对流or自然对流圆管or平板管内or管外横掠or纵掠2
§6-5 大空间与有限空间内自然对流传热 的实验关联式
•不依靠泵与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称为自然对流
自然对流是流场温度分布不均匀导致的密度不均匀分 布，在浮升力的作用下产生的流体运动过程。 自然对 流换热则是流体与固体壁面之间因温度不同引起的自 然对流时发生的热量交换过程。
（1）竖板（竖管） （3）水平板 （2）水平管 （4）竖直夹层 （5）横圆管内侧
一、自然对流的流动特征
热竖壁为例：
1、温度和速度分布 P264图6-15 温度不均 → 密度不均 → 速度分布
2、自然对流的边界层及换热特征 （1）层流 → 过渡区 → 紊流 （2）hx ~ x
3、自然对流的边界层可用干涉仪直观的观察、研究。
设
tw0
Gr* Nu
h
t q h
tw1
三、有限空间自然对流换热的实验关联式
1、准则方程一般形式
Nu
c Gr
Pr n
H
m
这里：
gt 3
Gr ν2
Nu h
特征长度：
定性温度：
，
tm
tw1
tw2 2
1
273 tm
t tw1 tw2
2、实验关联式
（1）竖空气夹层（常壁温）
Nu
0.197 Gr
Pr 1
4
H
1
9
Gr 8.6103 ~ 2.9105 适用范围：
H 11 ~ 42
Nu
0.073Gr
Pr 1
自然对流及强制对流及计算实例
自然对流及强制对流及计算实例自然对流和强制对流是流体传热过程中两种常见的方式。
本文将分别介绍自然对流和强制对流的概念及原理，并给出两个计算实例。
一、自然对流自然对流是指在一定温度差的作用下，由于密度差异而产生的流动。
当热源加热后，周围的流体受热膨胀，密度减小，上升；而冷却的流体密度增大，下降。
这种密度差异引起的流动即为自然对流。
自然对流的计算通常基于格拉希霍夫数（Grashof number），其计算公式为：Gr=g×β×(Ts−T∞)×L^3/ν^2其中，g为重力加速度，β为热膨胀系数，Ts为表面温度，T∞为远场流体温度，L为特征长度，ν为流体的运动黏度。
计算实例：假设有一个热源表面温度Ts=100°C，周围流体的温度为T∞=20°C，表面积为A=2m^2，特征长度L=1m，流体的运动黏度为ν=0.01m^2/s，重力加速度g=9.8m/s^2，热膨胀系数β=0.001K^-1、求解此情况下的格拉希霍夫数。
解：Gr=g×β×(Ts−T∞)×L^3/ν^2=9.8×0.001×(100-20)×1^3/0.01^2=7840根据格拉希霍夫数的大小，可以判断自然对流的状况。
当Gr<10^8时，自然对流的影响较小；当10^8<Gr<10^10时，自然对流的影响较大；当Gr>10^10时，自然对流的影响非常显著。
二、强制对流强制对流是通过外部力驱动流体运动，使传热加剧的一种方式。
常见的外部力包括压差、气流、涡流等。
强制对流通常具有较高的传热效率和传热速度。
强制对流的计算通常基于雷诺数（Reynolds number），其计算公式为：Re=ρ×V×L/μ其中，ρ为流体密度，V为流体速度，L为特征长度，μ为流体的黏度。
计算实例：假设有一段液体流经一个直径为0.1m的水管，流速为1m/s，液体密度为1000kg/m^3，液体黏度为0.01kg/ms。
(化工原理)第五节 对流传热系数关联式
Nu=0.26Re0.6Pr0.33
应用范围 Re>3000
特错列征管尺距寸最狭管处外的径距do,离流应速在取(流x1-体do通)和过2每（排t2-管d0 子）中二最者狭之窄中通取小道者处。的速度。 管束排数应为10，若不是10，上述公式的计算结果应乘以下表的系数
流体无相变时的对流传热系数-12
流体有相变时的传热系数-12
二、液体的沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
流体有相变时的传热系数-13
1.液体沸腾曲线
气化核心 泡核沸腾 或泡状沸腾 临界点 膜状沸腾
流体有相变时的传热系数-14
2.沸腾传热系数的计算
泡核沸腾传热系数的计算式
α=1.163Z(Δt)2.33 (Eq. Mostinki) 式中 Δt——壁面过热度,℃。
上式应用条件为： pc>3O00KPa, R = 0.01～0.9,q<qc 式中 Z——与操作压强及临界压强有关的参数,W/(m2•℃),其计
算式为：
流体有相变时的传热系数-16
3.影响沸腾传热的因素
（1）液体性质 （2）温度差Δt （3）操作压强 （4）加热壁面
4-5-5 壁温的估算
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 ：
管子为正三角形排列 ：
（2）高粘度的液体
应用范围 Re>10000,0.7<Pr<16700,L/d>60 特征尺寸 取为管内径di 定性温度 除μw取壁温外,均取为液体进、出
自然对流传热强制对流传热机理
自然对流传热强制对流传热机理
自然对流传热是指在液体或气体中由于温度差异而产生的自发流动，而强制对流传热是通过外部力量驱动使流体产生流动。
自然对流传热机理：
当液体或气体中存在温度差异时，由于热胀冷缩效应，密度较高的冷流体下沉，密度较低的热流体上升，从而形成自然对流。
这种流动会在液体或气体中形成对流传热。
自然对流传热的速率取决于温差、流体性质、流体的运动性能和流体与外部物体之间的传热面积。
强制对流传热机理：
强制对流传热是通过外部力量驱动使流体产生流动，这种流动可以通过搅拌器、风扇、泵等方式实现。
外部力量的作用下，流体会形成流动，从而增加了传热的速率。
强制对流传热的速率可以通过控制外部力量来调节。
总而言之，自然对流传热是通过温度差异所产生的自发流动，而强制对流传热是通过外部力量驱动使流体产生流动。
两种机制在传热过程中起着重要的作用，具体的传热速率取决于流体的性质和运动性能以及与外部物体的接触面积。
自然对流与强制对流及计算实例
自然对流与强制对流及计算实例热设计就是电子设备开发中必不可少得环节。
本连载从热设计得基础——传热着手，介绍基本得热设计方法。
前面介绍得热传导具有消除个体内温差得效果。
上篇绍得热对流，则具有降低平均温度得效果。
下面就通过具体得计算来分别说明自然对流与强制对流得情况。
首先，自然对流得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得公式，可以把流体得特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。
但每次计算得时候，都必须代入五个特性值。
因此，公式（3）事先代入了空气得特性值，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就是代入空气得特性值后求得得系数。
如果就是向水中散热，2、51需要换成水得特性值。
公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。
C与L从表1中选择。
例如，发热板竖立与横躺时，周围空气得流动各不相同。
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就是成对定义得。
计算代表长度得公式因物体形状而异，因此，在计算得时候，需要从表1中选择相似得形状。
需要注意得就是，表示大小得L位于分母。
这就表示物体越小，对流传热系数越大。
⊿T就是指公式（2）中得（表面温度-流体温度）。
温差变大后，传热系数也会变大。
物体与空气之间得温差越大，紧邻物体那部分空气得升温越大。
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”。
第二篇中介绍得热传导公式能够通过求解微分方程得方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用得理论公式。
能建立理论公式得，只有产生得气流较简单得平板垂直放置得情况。
因为在这种情况下，理论上得温度边界线得厚度可以计算出来。
但就是，如果发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算得难度也会增加。
这种情况下，就要根据原始得理论公式，通过实验求出系数。
工程热力学和传热学16对流换热计算
q
t 1 Rt
t
1
1 2
20 (20) 257.65W m 2 1 0.4 10－2 1 10 0.762 20
Q＝Fq 100 80 10－4 257. ＝20：传热系数 k 1 1
C 和 m 的值见下表。
叉排或顺排、管间距不同时，C、m的选取
Nu C Re
m
排数的影响见教材P202
表16－2
第二节
自然对流换热
流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热 与流体在壁面附近的由温度差异所形成的浮升力有 关。不均匀的温度场造成了不均匀的密度场，由此 产生的浮升力成为运动的动力。在热壁面上的空气 被加热而上浮,而未被加热的较冷空气因密度较大而 下沉。所以自然对流换热时,壁面附近的流体不像受 迫对流换热那样朝同一方向流动。一般情况下，不 均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在 贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁 面的方向上逐步降低至周围环境温度。
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影 响直到10排以上的管子才能消失。 这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管 束排数的因素作为修正系数。 气体横掠10排以上管束的实验关联式为
Nu C Rem
式中：定性温度为 tr (tw tf )/ 2; 特征长度为 管外径d， Re 数中的流速采用整个管束中最窄截面处 的流速。 实验验证范围： Ref 2000 ~ 40000。
边界层的成长和脱体决定 了外掠圆 管换热的 特征 。
可采用以下分段幂次关联式：
; 式中：C及n的值见下表；定性温度为 (tw t )/ 2 特征长度为管外径； Re 数的特征速度为来流速度 u 。
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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）（W/m2K） (3)是代入空气的特性值后求得的系数。
如果是向水中散热，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?图4：自然对流传热系数无法大幅改变物体沿流动方向的尺寸越小，单位面积的散热量越大。
自然对流的传热系数随斜率和面的曲率变化，但变化的幅度不大。
而强制空冷可以通过提高风速和湍流化，大幅改变传热系数。
形状和配置对于自然对流的传热系数会产生多大的影响（图4）？举例来说，平面的传热系数h等于××（（Ts-Ta）/H），而圆筒面的传热系数h等于××（（Ts-T<a）/H）。
平面为，圆筒面为，差别只有2％左右，由此可见，平面与圆筒面的传热系数差别不大。
这就意味着当发热板倾斜时，下表面的传热能力会越来越差，而上表面的传热能力基本不变。
发生倾斜后，下表面只受到沿倾斜面的向量成分的浮力。
也就是说，下表面的浮力变弱。
假设垂直时的传热系数为hv，倾斜时的传热系数为hθ，物体沿垂直方向倾斜角度θ，此时，下表面的传热系数大致为：hθ=hv.（cosθ） (4)（θ在0～60度左右的范围内时公式成立）如果倾斜45度，传热系数将缩小8％左右。
由此可知，即使倾斜发热板，传热系数也没有太大变化。
但一旦接近水平，传热系数就会急剧降低。
通过上面的介绍，大家应该已经明白，提高自然对流传热系数其实难度颇大。
但物体越小，对流传热系数越大。
比方说，我们可以采用把翅片分割成几个部分的方法。
在翅片截断的地方，热边界层将重置，起到阻止边界层变厚的作用，借此可以提高对流传热系数。
但这样做会减少翅片的表面积，总的散热能力依然变化不大。
强制对流传热系数的简易计算公式接下来看看强制对流的传热系数。
安装的强制对流的公式如下。
热流量=强制对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度） (5)强制对流传热系数的计算也有很多种公式（图5）。
图5：强制对流热传导的简易计算公式强制对流时，计算热流量使用与强制对流对应的传热系数。
根据流体的流动是在层流区域还是在湍流区域，计算使用的传热系数均不同。
强制对流时，一旦提高风速，状态也会在途中随之改变。
比方说，即便是在没有风的房间里，香烟的烟雾也是一开始径直向上，在途中四处飘散。
径直向上的地方是层流，飘散的地方是湍流。
在层流区，香烟烟雾中颗粒物是单向流动。
而在湍流区，颗粒物会到处乱飞，随着时间的推移，烟雾的形状将发生改变。
湍流是非定常流，流向会随时间改变。
印刷电路板周边的空气也一样，最初为层流，中途转变为湍流。
从散热的角度来看，湍流更有利于散热。
因为在湍流中，热空气与冷空气将相互混合，冷空气会得到靠近壁面的机会，更加容易传热。
也就是说，湍流化能够降低温度。
尤其是对于低流速和水冷式，湍流化十分有效。
但湍流化也会导致流体阻力增大，这回增加风扇和水泵的负荷。
强制形成湍流化的起始点时，可以采用在流体的通道中设置突起物（湍流促进器）的方式。
在强制空冷的散热器中，可以看到这种设置突起的例子（注4）。
（注4）自然对流也存在湍流，但在电子产品的热设计中，可以认为基本不存在自然湍流化。
但温度达到500～600℃的高温后，因为浮力增强，所以也会出现湍流化。
遏制流动的力与促进流动的力，二者的平衡决定着湍流的起始点。
遏制流动的力是粘性力，在壁面附近的作用较强，而促进流动的力则是惯性力或浮力。
粘性力强，则流动受到遏制。
因为气流之间会相互约束。
例如，在细缝和靠近壁面的地方，粘性力较强。
同样，翅片与翅片之间的距离越窄，粘性力越强，也就很难发生湍流化。
而惯性力由速度产生，只要提高速度，惯性力就会随之增大。
仍以香烟的烟雾为例，在烟雾开始流动时，热源上部的空气缓慢上升，发生流动的区域也十分狭窄。
但随着流动的进行，周围的静止流体也被带动，流动的区域不断扩大。
因此，粘性力会降低。
而在浮力的加速作用下，空气的流速不断加快。
因而产生了湍流化。
根据层流和湍流的不同，强制对流的传热系数公式存在相当大的差别。
首先是层流的公式。
层流平均传热系数hm=√（V/L） (6)其中加入了空气的特性值，与自然对流公式（3）中的含义相同。
湍流相关公式是实验性公式，系数和指数都有变化。
湍流平均传热系数hm=6×（V/） (7)要想简单进行判断的话，不妨把两个系数都计算出来，选择传热系数大的一方。
下面，让我们使用上面介绍的知识，定量研究对流的散热能力。
【练习1】平板的放置方式与散热能力假设有一块长200mm、宽100mm（忽略厚度），温度保持在40℃的平板（图6），平板的温度均匀，而且没有热辐射，下列放置方式的散热能力有多大差别？图6：【练习1】平板的放置方式与散热能力思考纵长200mm×横宽100mm（无视厚度）的平板的升温保持在40K（℃）时，图中3种模式的散热能力。
假设平板的温度均匀，且没有热辐射。
（a）垂直放置（以100mm的短边为高）（b）垂直放置（以200mm的长边为高）（c）水平放置需要求的数值是热流量，相当于散热量，这就必须首先求出传热系数，需要使用公式（3）。
（a）和（b）是垂直放置，C值使用平板垂直放置时的数值。
因为升温固定在40K（℃），所以⊿T为40（注5）。
至此，所有数值已经齐备，可以计算出传热系数。
（注5）温度必须要多次计算，比较麻烦。
如果不知道温度，就求不出传热系数，因此，最初先假设温度为30℃，计算出h。
把结果代入公式进行计算，得到的温度一般不等于30℃，此时要使用得出的数值重新计算。
经过反复计算，逐渐逼近正确数值。
（a）以100mm的短边为高的垂直平板传热系数 h=××（40/）=m2K表面积S=××2=散热量W=××40=（b）以200mm的长边为高的垂直平板传热系数 h=××（40/）=m2K表面积S=××2=散热量W=××40=由上述计算可知，（b）的散热量比（a）低15％左右。
但计算的条件是平板的温度完全均匀，也就是导热系数无限大，如果是印刷电路板，散热量上的差别还会更大。
倘若导热能力差，平板上侧与下侧之间将会出现温差。
纵向放置的话，上侧与下侧的温差会更大，最高温度将出现相当大的差别。
水平放置时，平板上侧与下侧的传热系数不同，计算比较复杂。
上侧的C值为，下侧为，刚好是上侧的一半。
因此，下侧的散热量也是上侧的一半。
这种情况需要分别计算上侧和下侧的散热量，然后相加。
（c）水平放置平板代表长度 L=（××2）/（＋）=上表面对流传热系数 h=××（40/）= W/m2K上表面表面积S=×=上表面散热量W=××40=下表面对流传热系数 h=××（40/）= W/m2K下表面表面积S=×=下表面散热量W=××40=总散热量 W=＋=这采用的是热计算中经常使用的计算每个面的发热量，然后相加的方法。
【练习2】大空间发生热对流，小空间发生热传导接下来看一下在200mm×200mm×20mm的平整机壳中安装180mm×180mm×1mm的电路板（发热功率5W）的情况（图7）。
图7：【练习2】空间大为热对流，空间小为热传导思考在尺寸为200mm×200mm×20mm的机壳内安装180mm×180mm×1mm的印刷电路板（发热功率为5W）时，图中3种情况下的散热能力。
假设没有热辐射。
大家可以将其看成是加热器。
关于电路板的安装位置，下面哪种是正确的？另外，这里假设热辐射可以忽略。
（a）电路板设置在上部（距离机壳顶面1mm）时温度最低（b）电路板设置在中部（距离机壳顶面）时温度最低（c）电路板设置在下部（距离机壳顶面15mm）时温度最低这个题目中有一点要注意，那就是空间狭窄、空气无法流动时，发生的是热传导，空间够大时发生的是热对流。
划分的界限值随状态和发热量而变，大致为几毫米。
如果小于该界限值，空气将无法流动，大于该界限值空气就可以流动。
定性地来说，只要距离足够，空气就能循环，从而带走热能，使部件释放的热传到机壳顶面并发散出去，由此起到降温的作用。
上面提到，当距离很小时发生的是热传导。
热传导的热阻等于空气层的厚度/（传热面积×空气的导热系数），因此（a）的情况下，热阻（1mm）=（××）=W；（b）的情况下，热阻（㎜）=（××）=W，比（a）的热阻大很多。
而在（c）的情况下，距离达到15mm，可以认为能充分产生对流。
此时，对流的热阻增加到两个（电路板表面→空气，空气→机壳顶面）。
按照传热系数为10W/m2K计算，电路板到空气的对流热阻=1/（电路板表面积×自然对流传热系数（水平））空气到机壳的对流热阻=1/（机壳表面积×自然对流传热系数（水平））热阻（15mm）=1/（××10）＋1/（××10）=W由此可知，（a）的情况下热阻最小、温度最低。