电子产品散热设计干货分享:热传导过程理论基础<九>
对流传热机理
对流传热,指流体与固体壁面直接接触时的传热,是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。
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考察湍流流体:
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流体流过固体壁面时,由于流体的粘性作用,使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内,沿壁面的法线方向没有热对流,该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低,使滞流底层中的导热热阻很大,因此该层中温度差较大,即温度梯度较大。
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在湍流主体中,由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡,因此湍流主体中温度差及温度梯度极小,各处的温度基本相同。
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在湍流主体与滞流底层的过渡层中,热传导和热对流均起作用,在该层内温度发生了缓慢的变化。
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对流传热的热阻主要集中在滞流底层中,因此,减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。减薄热边界层的厚度,有利于对流传热过程的进行。
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2. 对流传热系数
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对流传热是一复杂的过程,包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程,因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂,进行纯理论计算是相当困难的,故目前工程上采用半经验方法处理,将许多复杂影响因素归纳到比例系数h内。
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3. 对流传热系数的影响因素
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对流传热是流体在外界条件作用下,在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程,因此影响h的主要因素是:
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3.1 流体的种类和相变化情况
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h气体液体,h有相变>h无相变
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3.2 流体的物性
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对h影响较大的流体物性有导热系数λ、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β。
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具体地:λ↗、μ、Cp↗、ρ↗、β↗ → h↗
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3.3 流体的温度
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流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差Δt,流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。
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在传热计算过程中,当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。
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3.4 流体的流动状态
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流体呈湍流时,随着Re的增加,滞流底层的厚度减薄,阻力降低,h增大。
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流体呈滞流时,流体在热流方向上基本没有混杂作用,故h较湍流时小。
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即:h滞流湍流
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3.5 流体流动的原因
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自然对流:由于流体内部存在温度差,因而各部分的流体密度不同,引起流体质点的相对位移。
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强制对流:由于外来的作用,迫使流体流动。
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即:h自然对流强制对流
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3.6 传热面的形状、位置和大小
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传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响,从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同,在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响,一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据,称为定性尺寸。
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