表面传热系数对温升的影响对比仿真

本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了表面传热系数的概念、单位、影响因素以及数值模拟方法。表面传热系数是牛顿冷却公式中的比例系数，用于描述对流换热过程，其单位为W/(㎡*K)，与流体的物性、换热表面的形状、大小与布置以及流速等因素有关。表面传热系数的测量通常依赖于实验方法，其数值范围因流体类型和流动方式而异。最后，文章以Abaqus的案例说明了表面传热系数对温升的影响。

首先说一下这个术语，表面传热系数，英文是Surface heat transfer coefficient，行业内这个名词又有多种不同的叫法，其他的叫法有：对流换热系数，表面散热系数，表面换热系数等，这些叫法都是一个意思。表面传热系数是对流传热基本计算公式——牛顿（Newton）冷却公式（Newton‘s law of cooling）中的比例系数，通常用字母h来表示，是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，只能发生在有流体流动的场合。虽然说只能发生在有流体流动的场合，但不代表仿真时一定要把流体模型建立出来，可以数值模拟虚拟的表面换热过程。

再说一下它的单位，是W/(㎡*K)，含义是单位面积的对流换热速率，反应了对流换热的快慢，对流换热系数越大，表示对流换热越快。首先注意单位的分母是㎡（每平方米），其大小与对流换热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体自身的物性，还与换热表面的形状、大小与布置，以及流速有着密切的关系。再者注意其与导热系数的区别，导热系数单位是W/(m*K)，单位的分母是m(每米)，也称作导热率，英文是thermal conductivity，导热系数只与材料自身的性质有关系，比如和自身的成分组成、温湿度、压力等因素有关，与表面形状和接触状态无关，是材料自身的属性。很多小伙伴对这两个概念经常困惑和混淆，弄透彻搞这两个基本概念是很重要的。

表面传热系数一般依靠实验方法确定。流体的导热作用对于对流换热过程有很大影响。流体流动时与壁面发生摩擦，摩擦力使流体运动受阻，越靠近壁面的流体流动速度降低越多，紧贴壁面的流体几乎停滞。在摩擦的阻滞作用显著影响范围内，壁面附近形成一层很薄的流动边界层。流体流动速度越大，流体对壁面的冲刷作用越强，流动边界层越薄，薄薄的流动边界层之所以令人关注是因为形成与它相关的换热边界层(也称温度边界层)。不论是壁加热流体还是流体加热壁，热流都必须通过换热边界层进行导热传递。在离开换热边界层进入主流区之后，流体对流混合作用增强。边界层的导热热阻构成对流换热热阻的主要部分，换热温差的大部分作用在薄薄的边界层。在不同的情况下，传热强度会发生成倍直至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

对流换热系数的大致量级如下：

空气自然对流 5 ～ 25

气体强制对流 20 ～ 300

水的自然对流 200 ～1000

水的强制对流 1000 ～ 15000

油类的强制对流 50 ～ 1500

水蒸气的冷凝 5000 ～ 15000

有机蒸汽的冷凝 500 ～ 2000

水的沸腾 2500 ～ 25000

这里以Abaqus的案例来说明表面传热系数对温升的影响。模型如下，刹车片制动刹车盘，摩擦生热后系统温度升高。

仿真条件：摩擦系数和压力恒定，摩擦力做功，全部转化为热量，仿真结束后系统能量包含两部分：系统储存的应变能和机械能转化成的热能。

刹车片和刹车盘间的接触面设置表面传热条件，表面传热系数分别设置20和200，以对比不同散热条件下的温升。

下图是同一个工况下的刹车片/盘在不同表面传热系数下在经历1s后的温度分布图。1s温度差了10度还是很可观的，这也说明不同的环境导致的差别较大的表面传热系数对温升的影响也较大。实际情况下要把传热系数估计准确也是有难度的。