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传热建模|传热基本方式

10月前浏览8158

导读:介绍传热三种基本方式:导热、对流、辐射。


传热基本方式      

     

  • 导热
    • 发生在介质中(流体或固体中);
    • 与原子和分子的振动或电子运动有关的;
    • 介质内温度梯度引起的热扩散。
  • 对流
    • 热量是通过移动的流体来传递的;
  • 辐射
    • 由电磁波发射的能量
导热      

     

传导是通过分子相互作用进行的热传递。

  • 气体间:分子的速度取决于温度。热的高能分子与邻近分子发生碰撞,从而提高了它们的速度。
  • 固体间:分子和晶格结构发生振动。

傅里叶定律表明,热通量与温度梯度成正比:

 

其中k表示导热系数。

一维傅里叶定律的积分

对于一个简单的一维稳态传导,如果导热系数恒定,通过平板的温度分布是线性的。

于是就有了热阻的概念:

 

R表示热阻(K/W),    


对流      

     

对流传热是流体运动的结果

  • 传热速率与流体速度、流体速度和性质有密切的关系
  • 流体的性质可能随温度而有显著变化

冷空气经过一个发热源时,会带走发热源附近的热空气,用冷空气去替代:

牛顿冷却定律用于阐述对流换热:

 

其中    表示平均对流换热系数。

传热系数

一般来说,h不是常数,通常是温度梯度的函数。

根据理查森数(Ri,浮力项与流剪切项的比值的无量纲数)可以将对流分为三类:

 

其中    表示热膨胀系数。

  • 自然对流:由于浮力效应而导致的流体运动 (Ri > 10),      值一般为4-4000(W/m2·K);
  • 强迫对流:流动是由一些外部有因素引起 (Ri < 0.1),      值一般为80-75000(W/m2·K);
  • 相变对流:由于相变引起的对流换热,      ,      值一般为300-900000(W/m2·K);

自然对流

在自然对流中,流体运动是由于浮力效应引起的。当流体被加热时,它的密度就会降低,这个密度梯度会产生一种浮力(体积力),从而引起与重力相反的流动。

这种体积力的计算方法如下:

 

可以通过瑞利数对自然对流的流动状态进行表征:

 

其中    为热扩散系数,    为动力粘度,    为热膨胀系数,    为重力加速度。

在大多数应用中,自由对流和强制对流同时发生。为了确定该流动是由自然对流、强迫对流或两者都驱动的,需要通过理查森数(Ri)来判断:

  •      <<1,强制对流占主导;
  •      ≈1,自然对流和强制对流同时主导;
  •      >>1,自然对流占主导。

边界层流动

与形成的粘性边界层类似,也存在一个热边界层:

努塞尔数(Nu)是跨越边界的对流热量与传导热量的比率,也可以理解为表面无量纲温度梯度。

努塞尔特数(Nu)推导:

  • 将从壁传导的热量等于对流方式的相同传热:
 
  • 定义无量纲数量:
 
  • 重新组合得到:
 

传热系数有相关以Nu及Pr为基础的关联式,关联式可以应用在fluent中以修正边界条件。关联式会因为物体形状不同而不同。比如,由球体周围流动而产生的热传递:

 

层流中的平板传热(热边界层)

 

上述的关联式取决于普朗特数(Pr):

 

辐射换热      

     
  • 热辐射是通过电磁波发射的能量;
  • 强度取决于物体温度和表面特性;
  • 在高温下传热的重要方式。    

辐射黑体

黑体是一个完美的辐射体,并具有以下特点:

  • 吸收100%的入射辐射(α = 1);
  • 反射和传输无入射辐射(ρ = τ = 0)

黑体发出的能量服从斯蒂芬-玻尔兹曼定律:

 

   表示斯蒂芬-玻耳兹曼常数,5.67037x10-8    

辐射灰体

一般来说,真实的物体比黑体发出的辐射更少

 
  • 灰色体的发射率和吸收率相等

考虑一个温度    、表面积    的物向周围环境温度为    d发出的辐射。

物体和它的容器都会发出热辐射。净热传递是从较热的物体传递到较冷的物体:

 

在什么情况下需要考虑热辐射:

  • 辐射传热在燃烧等高温应用中具有重要作用;
  • 辐射性质可以强烈地依赖于化学成分,特别是二氧化碳,水;
  • 辐射传热方程很难明确地求解(除了简单的构型)-必须依赖于计算方法;
  • 当辐射传热与传导或对流引起的传热相比较大时,应始终考虑辐射:
 


来源:BB学长
Fluent振动碰撞燃烧化学湍流电子
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首次发布时间:2023-12-25
最近编辑:10月前
BB学长
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