自然對流空氣冷卻器定義

依靠自然對流使空氣循環(huán)的空氣冷卻器。

《機(jī)械工程名詞 第五分冊》第一版。

自然對流換熱分為大空間自然對流換熱和有限空間自然對流換熱兩類。流體在大空間作自然對流時，流體的冷卻過程與加熱過程互不影響。這類問題比較簡單，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)用大空間自然對流換熱的規(guī)律計(jì)算。換句話說，就是可以把它當(dāng)作大空間問題來處理。

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限大。

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

在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規(guī)則的層流；若壁面足夠高，則上部流動會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌?

不同的流動狀態(tài)對換熱具有決定性影響。

層流時，換熱熱阻完全取決于薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨著高度的增加，層流薄層的厚度也逐漸增加。與此相對應(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，流體的流動將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。湍流時換熱規(guī)律有所變化。研究表明，旺盛湍流時的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是個常量。

自然對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。自然對流傳熱可分為大容積自然對流傳熱及有限空間的自然對流傳熱。大容積自然對流傳熱是邊界層發(fā)展不受空間限制或干擾的自然對流傳熱。自然對流的傳熱膜系數(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，通過實(shí)驗(yàn)來測定出一些典型情況下的自然對流傳熱膜系數(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）的自然對流。因此，固體表面與流體間的溫度差是流體產(chǎn)生自然對流傳熱的根本原因。流體沿壁面作自然對流傳熱時，靠近壁面處形成流動邊界層。緊鄰豎壁的邊界層內(nèi)流體的流動，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粘性力。此時，流動稍受外界干擾，即逐漸過渡到湍流狀態(tài)。

基本假設(shè)：當(dāng)流體沿高溫豎壁作自然對流傳熱、邊界層內(nèi)流體作層流流動時，可作如下幾點(diǎn)合理的簡化假設(shè)：熱邊界層內(nèi)流體呈層流流動，通過膜層的熱量僅以導(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流層流流動和傳熱過程的機(jī)理，經(jīng)過合理的簡化假設(shè)，對邊界層內(nèi)流體的穩(wěn)定流動和傳熱過程進(jìn)行流動方程、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值。