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对流换热系数知多少？Workbench传热理论与案例剖析

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导读：对流换热系数（Convective Heat Transfer Coefficient，记作h）是描述流体与固体表面之间热量传递能力的重要参数，它反映了单位面积上流体与壁面之间在单位温差下单位时间内所能传递的热量。

一、对流换热系数知多少

对流换热系数h是牛顿冷却定律中的比例系数，其定义为：

其中：

• q是单位时间内通过单元面积(A)的热量（热流率），单位为(W/m^2)；

• A是换热面积，单位为(m}^2；

• (Delta T)是流体与固体表面之间的温差，单位为(K)或(℃)；

• h是平均对流换热系数，单位为(W/m^2.K)。

其物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为 1K 时，1 平方米的壁面面积在每秒内所能传递的热量。

对流换热系数\(h\)的大小受多种因素影响，主要包括以下几点：

• 流动状态：流动状态是影响对流换热系数的关键因素。湍流状态下的对流换热系数通常比层流状态下大得多。湍流中存在大量的涡旋，这些涡旋能够将热量快速传递到流体内部，从而增强换热效果。

• 流体的物理性质：流体的导热系数、密度、比热容、粘度等物理性质都会影响对流换热系数。例如，导热系数较高的流体更容易传递热量。

• 表面特性：换热表面的形状、尺寸、粗糙度等也会对对流换热系数产生影响。例如，粗糙的表面会增加流体的湍流程度，从而提高换热系数。

• 流体的流速：流体的流速越大，对流换热系数通常也越大。这是因为较高的流速会增强流体与壁面之间的热交换。

• 相变：如果流体在换热过程中发生相变（如沸腾或冷凝），对流换热系数会显著增加。例如，水蒸气在冷凝时的对流换热系数可以达到 5000-15000 W/(m²·K)。

对流换热系数的计算方法因具体情况而异，常见的计算方法包括：

经验公式：在工程实践中，通常使用经验公式来估算对流换热系数。这些公式基于大量的实验数据，适用于特定的流动条件和流体类型。
理论公式：对于一些简单的流动情况，可以通过理论分析得到对流换热系数的解析解。例如，对于平板边界层流动，可以使用布拉修斯解来计算对流换热系数。
数值模拟：随着计算技术的发展，数值模拟（如 Fluent）已成为计算对流换热系数的重要手段。通过建立流体流动和传热的数学模型，并使用数值方法求解，可以得到精确的对流换热系数。使用Fluent可以准确求解获得近壁的流动和温度分布情况，从而可以获得壁面的对流换热系数。