自然對(duì)流空氣冷卻器

《機(jī)械工程名詞 第五分冊(cè)》第一版。

依靠自然對(duì)流使空氣循環(huán)的空氣冷卻器。

自然對(duì)流換熱分為大空間自然對(duì)流換熱和有限空間自然對(duì)流換熱兩類(lèi)。流體在大空間作自然對(duì)流時(shí)，流體的冷卻過(guò)程與加熱過(guò)程互不影響。這類(lèi)問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，但總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式卻具有很大的實(shí)用意義，它可以應(yīng)用到比形式上的大空間更廣的范圍。因?yàn)樵谠S多實(shí)際問(wèn)題中，雖然空間不大，但熱邊界層并不相互于擾，因而可以應(yīng)用大空間自然對(duì)流換熱的規(guī)律計(jì)算。換句話說(shuō)，就是可以把它當(dāng)作大空間問(wèn)題來(lái)處理。

所謂大空間，實(shí)際上只要邊界層不受干擾就可以適用，不必拘泥于幾何形式上的很大或無(wú)限大。

自然對(duì)流亦有層流和湍流之分。以貼近一塊熱豎壁的自然對(duì)流為例來(lái)作分析，其自下而上的流動(dòng)景象如圖1所示。

在壁的下部，流動(dòng)剛開(kāi)始形成，它是有規(guī)則的層流；若壁面足夠高，則上部流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌?

不同的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱具有決定性影響。

層流時(shí)，換熱熱阻完全取決于薄層的厚度。從換熱壁面下端開(kāi)始，隨著高度的增加，層流薄層的厚度也逐漸增加。與此相對(duì)應(yīng)，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨高度增加而減小。如果壁面足夠高，流體的流動(dòng)將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。湍流時(shí)換熱規(guī)律有所變化。研究表明，旺盛湍流時(shí)的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是個(gè)常量。

自然對(duì)流傳熱是由于流體內(nèi)部存在溫度差導(dǎo)致質(zhì)量力分布不均勻而引起的。它是一種較為普遍的傳熱方式。自然對(duì)流傳熱可分為大容積自然對(duì)流傳熱及有限空間的自然對(duì)流傳熱。大容積自然對(duì)流傳熱是邊界層發(fā)展不受空間限制或干擾的自然對(duì)流傳熱。自然對(duì)流的傳熱膜系數(shù)與流體的物理性質(zhì)、傳熱面的大小、形狀及位置等有關(guān)，情況比較復(fù)雜，要從理論上推導(dǎo)出它的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式，難度很大。工程上一般都是采用因次分析法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定出一些典型情況下的自然對(duì)流傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，供生產(chǎn)設(shè)計(jì)之用。

過(guò)程描述：靜止的流體一旦與不同溫度的固體表面相接觸，緊鄰表面的薄層（即熱邊界層）流體受表面溫度的影響，其溫度和密度都將改變。在重力場(chǎng)中，如果密度梯度與重力的方向相垂直，則立即引起流體的自然對(duì)流。浮升力（或沉降力）導(dǎo)致熱邊界層內(nèi)流體上升（或下降）和層外流體下降（或上升）的自然對(duì)流。因此，固體表面與流體間的溫度差是流體產(chǎn)生自然對(duì)流傳熱的根本原因。流體沿壁面作自然對(duì)流傳熱時(shí)，靠近壁面處形成流動(dòng)邊界層。緊鄰豎壁的邊界層內(nèi)流體的流動(dòng)，也有層流和湍流之分。作用在邊界層中流體質(zhì)點(diǎn)上的力，主要是浮升力和粘性力，慣性力相對(duì)很小，甚至可以忽略。在高溫豎壁底處的起始段，近壁流體溫升不大，浮升效應(yīng)弱，由于粘性力的關(guān)系，流動(dòng)呈層流狀態(tài)。達(dá)一定距離后，近壁流體的溫度已升高到使浮升力的影響超過(guò)粘性力。此時(shí)，流動(dòng)稍受外界干擾，即逐漸過(guò)渡到湍流狀態(tài)。

基本假設(shè)：當(dāng)流體沿高溫豎壁作自然對(duì)流傳熱、邊界層內(nèi)流體作層流流動(dòng)時(shí)，可作如下幾點(diǎn)合理的簡(jiǎn)化假設(shè)：熱邊界層內(nèi)流體呈層流流動(dòng)，通過(guò)膜層的熱量?jī)H以導(dǎo)熱形式傳遞，膜內(nèi)溫度分布為線性；熱邊界層內(nèi)流體呈穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，即流體的加速度可以被忽略 ；豎壁面維持均勻的溫度 T _W 、邊界層外流體的溫度為 T_f 、邊界層內(nèi)流體的物性為常量，定性溫度為膜溫即 T_W 和 T_f 的算術(shù)平均值。

文獻(xiàn) 分析了大容積自然對(duì)流層流流動(dòng)和傳熱過(guò)程的機(jī)理，經(jīng)過(guò)合理的簡(jiǎn)化假設(shè)，對(duì)邊界層內(nèi)流體的穩(wěn)定流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行流動(dòng)方程、傳熱速率方程、質(zhì)量衡算方程和熱量衡算方程描述，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，從理論上推導(dǎo)出了該狀況下的傳熱系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，理論值和實(shí)驗(yàn)值能較好地吻合,表明該模型具有一定的代表性和理論參考價(jià)值。