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对流和对流换热的基本概念和公式

1.对流换热的基本概念

对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程。在工程领域，对流换热是最常见的传热方式之一，广泛应用于热力学、能源、建筑、化工、航空等众多领域。对流换热过程包括两个基本过程：热对流和质量对流。

1.1热对流

热对流是指流体中温度分布不均匀时，由于流体密度差异导致流体产生流动，从而实现热量传递的过程。热对流可以分为自然对流和强制对流两种形式。

自然对流：由于流体密度差异引起的对流，通常发生在受热表面附近。当流体受热后，密度减小，产生上升运动；冷流体则密度较大，产生下降运动，形成闭合的对流环路。

强制对流：由于外部作用力（如风扇、泵等）使流体产生流动，从而实现热量传递。强制对流的特点是流体流动速度独立于温度分布。

1.2质量对流

质量对流是指流体中由于浓度分布不均匀，导致流体产生流动，从而实现质量传递的过程。质量对流通常与热量传递同时发生，称为对流换热。质量对流也可以分为自然对流和强制对流。

2.对流换热的机理

对流换热的机理较为复杂，涉及到流体的粘性、密度、温度和浓度等因素。在分析对流换热时，通常采用以下几种简化模型：

2.1层流与湍流

根据流体流动的稳定性，对流换热可以分为层流和湍流两种状态。

层流：流体以层状形式流动，各层流体之间不混合，流动稳定。层流换热系数较小，换热效率较低。

湍流：流体流动混乱，各层流体之间充分混合，流动不稳定。湍流换热系数较大，换热效率较高。

2.2牛顿冷却定律

牛顿冷却定律是对流换热的基本定律，表达式为：

[q=hA(T_{}-T_{})]

(q)表示单位时间内通过单位面积的热量（W/m2）；

(h)表示对流换热系数（W/m2·K）；

(A)表示换热面积（m2）；

(T_{})表示固体表面的温度（K）；

(T_{})表示流体的温度（K）。

2.3对流换热系数

对流换热系数(h)是一个综合参数，与流体的性质、流动状态、温度、粘度等因素有关。对流换热系数(h)通常通过实验测定，也可以根据流体的性质和流动状态采用经验公式计算。

3.对流换热的公式

在对流换热过程中，固体表面与流体之间的热量传递可以用以下公式表示：

[Q=hA(T_{}-T_{})]

(Q)表示单位时间内传递的热量（W）；

(h)表示对流换热系数（W/m2·K）；

(A)表示换热面积（m2）；

(T_{})表示固体表面的温度（K）；

(T_{})表示流体的温度（K）。

根据流动状态（层流或湍流）和流体性质，对流换热系数(h)可以通过以下经验公式计算：

3.1层流换热系数

层流换热系数(h)可以用以下公式表示：

[h_{l}=()^{2}]

(h_{l})表示层流换热系数（W/m2·K）；

(k)表示流体的热导率（W/##对流换热例题及解题方法

例题1：自然对流换热

一个长方体容器内装有水，左壁受热，右壁保持恒温。假设水的初始温度为25°C，左壁的温度为100°C，右壁温度为50°C。水的Prandtl数为7，求水柱中部的温度。

解题方法：

根据题意，确定自然对流换热问题；

假设水柱中部的温度为(T)；

利用牛顿冷却定律，建立热量传递方程；

根据自然对流的流动特性，利用Prandtl数和相关经验公式；

求解温度(T)。

例题2：强制对流换热

一个矩形通道内，空气以0.5m/s的速度流过，通道宽度为2m，高度为3m。通道内空气的初始温度为20°C，通道壁面温度为100°C。空气的Prandtl数为0.75，求通道中心线处的温度。

解题方法：

根据题意，确定强制对流换热问题；

假设通道中心线处的温度为(T)；

利用牛顿冷却定律，建立热量传递方程；

根据强制对流的流动特性，利用Prandtl数和相关经验公式；

求解温度(T)。

例题3：牛顿冷却定律应用

一加热器以1000W的功率加热一管道内的空气，管道内空气的流速为2m/s。管道内空气的初始温度为20°C，加热器表面温度为100°C。求管道内空气的温度。

解题方法：

根据题意，确定对流换热问题；

假设管道内空气的温度为(T)；

利用牛顿冷却定律，建立热量传递方程；

将已知数据代入方程，求解温度(T)；

考虑热损失和热量增加的平衡，修正求解结果。

例题4：对流换热系数计算

一平板加热器，其表面温度为100°C，周围空气温度为20°C。平板加热器的对流换热系数为100W/m2·K。求平板加热器表面的热流密度。

解题方法：

根据题意，确定对流换热问题；

假设平板加热器表面的热流密度为(q)；

利用对流换热公式，建立热量传递方程；

将已知数据代入方程，求解热