自然對流換熱

基本定義

自然對流換熱

亦稱“自由對流換熱”,簡稱“自然對流”、“自由對 流”。指參與換熱的流體由於各部分 溫度不均勻而形成密度差,從而在 重力場或其他力場中產生浮升力所 引起的對流換熱現象。 按周圍空間 大小的不同,有大空間和有限空間 內自然對流換熱兩類。前者在加熱 (或冷卻)表面的四周並不存在其他 足以阻礙流體流動的物體,流動可 充分展開。
由於流體內部溫度差引起密度不同而形成浮升力,在此浮升力引發的運動下所產生的換熱過程,又稱自由運動換熱。熱力管道、熱力設備、鍋爐爐體等與周圍空氣之間的換熱都是自然對流換熱。它的強度取決於流體沿固體換熱表面的流動狀態及其發展情況,而這些又與流體流動的空間和換熱表面的形狀、尺寸、表面與流體之間的溫差、流體的種類與物性參數等許多因素有關,是一個客群多因素影響的複雜過程。

數值解法

近年來已經提出了許多數值計算方法 ,用來求解流體流動及對流換熱問題[1] 。常用的方法有 :有限差分法、有限元法、邊界元法、有限分析法。從方法發展與積累的經驗、實施的難易及套用的廣泛性等方面 ,就目前而言 ,隨著計算機的套用 ,有限差分法還是一種通用的方法。有限差分法可以採用不同的差分格式 ,通常選用顯格式和隱格式。凱勒單元法實質上也是一種隱格式 ,其主要特點有 :無條件穩定 ,可用變步長格線、二階精度 ,可取較大的步長值、聯立方程求解的程式編制簡便 ,但在建立離散方程係數時 ,其運算比較複雜。由於凱勒單元法有其固有特性 ,因此 ,早在 70年代 ,就有許多的研究者將此法用於求解邊界層問題。在最近 2 0年中 ,此方法發展已比較成熟。關於採用凱勒單元法求解邊界層問題的詳細內容見文獻 [2 ],但是他們的興趣在於強制對流換熱 ,而不是自然對流換熱。

數值模擬

封閉空間內的自然對流換熱是計算流體力學和數值傳熱學的經典課題之一,在工程領域有著非常廣泛的套用,在航空設計、大氣科學、建築設計,電子元件冷卻、核反應等方面均涉及到。人們對自然對流換熱已經進行了大量的實驗和數值研究,D e V ah lD av is G[1]最早發表了封閉方腔自然對流換熱問題的基準解,對穩態的有水平熱源的自然對流換熱進行了計算,瑞利數R a達到106。Le Q uér[é2]繼續進行計算,使R a達到了108。B.Calcagn i[3]和M uhamm adA.R.Sharif[4]等分別研究了封閉方腔內的底部加熱側面冷卻的自然對流問題,實驗和數值分析了熱源尺寸對傳熱的影響。