高等传热学课件对流换热-第5章-1.pdfVIP

第五章 自然对流换热 当流体内部的温度分布或浓度分布不均匀时，会造成密度分布的 不均匀，在体积力场的作用下，形成浮升力，而引起流体的流动与换 热，这种现象称为自然对流。 在自然界与工程技术中，自然对流现象很多，譬如：地面与大气 间温度差引起的复杂大气环流，工业排烟在大气中的混合与蔓延，工 业废水在水域中的混合与扩散，各种电子器件的散热冷却，建筑物内 的采暖，炉中的火焰与烟气的蔓延等。 在铸造、温控等涉及固/液相变的技术过程中，自然对流也是重 要的物理过程。 与强制对流换热一样，自然对流也有层流与湍流，内部流动与外 部流动的区别。 5-1 自然对流边界层分析 一、自然对流边界层的特点 T T 以放置于静止流体中的竖壁为例。流体温度为 ，壁面温度为 ， ∞ w 当T T 时，壁面附近的流体被加热，温度升高，密度变小，在重力 w ∞ 场作用下产生浮力，使流体向上运动，如图。 u( y) u( y) T −T ∞ T −T ∞ δT g δT g δ (a) Pr 1 , (δ δ ) Pr (δ δ ) T (b) 1, T 一般来说，不均匀的温度场仅出现在离壁面较近的流体层内，表 现出边界层的特性。与强制对流不同，离壁面较远的流体静止不动。 对不同类的流体，其边界层内的速度分布、温度分布及控制机理 有所不同。 (a) 当Pr 1 时，δ δT ，温度分布单调，速度分布在离壁面一定距离 处取得较大值，从壁面到速度极大值处，浮升力克服粘性力产 生惯性力（速度）。随着离开壁面的距离的增加，浮升力减小， 但粘性力以更快的速度减小，直至为零，即在此处取得极大值。 从该点向边界层外缘，由于浮升力进一步减小，不足以维持如 此大的惯性，所以速度又逐渐降低。 (b) Pr 1 时，δ δT 。在y δT 区域，浮升力克服粘性力产生惯性； 在y δT 区域浮升力为零，流体靠消耗惯性力来克服粘性力。此 时，温度分布与速度分布的宽度不同。 (c) Pr 1 时，δ δT ，热扩散能力大于粘性扩散能力。在y δ 区域， 浮升力克服粘性力产生惯性力（速度），而在y δ 区域，粘性力 很小，浮升力直接产生惯性力。虽然这种情况下，两种边界层 的发展速度不同，但温度分布与速度分布的宽度相同。如图。 δ T −T u( y) ∞ g T w (c) Pr 1, (δ δ ) T 二、自然对流边界层微分方程组 以沿竖