火箭滑車試驗

[拼音]：duiliu huanre

[英文]：convection heat transfer

流體與所接觸的固體表面間的熱量傳遞過程。它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果，也稱對流傳熱或對流放熱。它是傳熱學的重要組成部分。在對流換熱過程中，熱量的傳遞是靠分子運動產生的“導熱”和流體微團之間形成的“對流”這兩種作用來完成的。傳熱強度不僅與對流運動形成的方式有關，而且還與流速和流體的物性引數，以及固體表面的狀況、形狀、位置和尺寸等因素有關。在不同的情況下，傳熱強度會發生成倍直至成千倍的變化，所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的複雜過程。

傳熱係數

也稱換熱係數。對流換熱的強度依據牛頓冷卻定律，其基本計算公式是：

式中q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內交換的熱量，稱作熱流密度；T W、Tf分別為固體表面和流體的溫度；h稱為傳熱係數，它表示在單位面積的固體表面上，當流體與固體表面之間的溫度差為1K時，每單位時間內所傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強弱，如上所述，它與影響換熱過程的諸因素有關，並且可以在很大的範圍內變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱係數的一個定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內在聯絡，也沒有給工程計算帶來任何實質性的簡化，只不過把問題的複雜性轉移到傳熱係數的確定上去了。因此，在工程傳熱計算中，主要的任務是計算h。計算傳熱係數的方法主要有實驗求解法、數學分析解法和數值分析解法。

實驗求解法

通過實驗求出h與諸影響因素之間的定量關係式。實驗求解法是處理工程實際中複雜的對流換熱問題的重要手段，也是其他求解方法的檢驗標準。

實驗求解法是在相似理論的指導下，對求解的問題進行相似分析，求出與問題有關的無量綱數（由相應的物理引數組成）。每個無量綱數都具有一定的物理意義。與對流換熱有關的最常見的無量綱數包括：

（1）努塞爾數Nu=hl/k，式中l為特徵長度，h為傳熱係數，k為固體的熱導率。它反映換熱表面的溫度梯度；

（2）雷諾數Re＝vl/v，式中v和v分別為流速的特徵速度和運動粘度。它反映粘性對流動的影響；

（3）格拉曉夫數

，式中γ、g 和Δt分別為流體的體積膨脹係數、重力加速度和固體表面與流體之間的溫度差。它反映浮升力對流動的影響；

（4）普朗特數

式中cp為定壓比熱容；η為動力粘度。它反映流體物性對流動中換熱的影響。從數學上可以證明，任何物理量之間的關係都可以轉換成相應的無量綱數之間的關係。因此傳熱係數 h與其影響因素之間的關係可以表示成Nu與其他無量綱數之間的關係:對於受迫對流換熱Nu＝f(Re，Pr)；對於自然對流換熱Nu＝f(Gr，Pr)。在這種關係式中，作為獨立變數的數目大大減少，有利於實驗資料的綜合整理。在實驗求解時，可以根據相似規律或改變模型尺寸，或更換流體種類進行研究。這種實驗稱為模化實驗。

數學分析解法

利用數學分析的方法直接求解微分方程組。由於方程組很複雜，這種方法只能求解極個別非常簡單的對流換熱問題（如光滑圓管內層流流動時的對流換熱），尚難用於求解複雜的實際問題。20世紀初，德國物理學家L.普朗特提出邊界層理論。他利用邊界層極薄的特性的簡化微分方程組，從而建立了可以數學求解的分析理論，開拓了對流換熱向理論分析方向發展的道路，計算機的應用又顯著擴大瞭解題能力。

數值分析解法

把微分方程組的積分求解過程變換成相應的差分方程組的代數求解過程進行求解。這種解法的計算工作量非常大，但由於計算機的應用和各種新的實驗技術的配合，這一方法的研究獲得迅速發展，並正在形成傳熱學的一個新的分支──數值計算傳熱學。

對流換熱形式

形成對流的原因有兩種：流體各部分因溫度引起的密度差所形成的運動稱為自然對流；由風機、泵等所驅動的流體運動稱為受迫對流。相應的換熱過程分別稱為自然對流換熱和受迫對流換熱。

自然對流換熱

它又可分成大空間內自然對流換熱和有限空間內自然對流換熱兩種。前者的無量綱關係式常表達為

式中下角標m表示無量綱數中的物性引數是根據溫度tm=(to+tf)/2確定的，to和tf分別為固體表面和液體的溫度；係數C和指數n的數值隨固體表面的形狀、大小和位置的不同而異。

有限空間內自然對流換熱的關係式因空間的幾何形狀、大小和放置方位不同而異，所以公式繁多。在計算時須根據不同的問題查閱有關手冊。

受迫對流換熱

根據邊界層形成和發展情況的不同，可以分成內部流動和外掠流動兩種。根據流動狀況的不同，這兩種流動又各有層流和湍流(紊流)之分。對於不同流動方式的對流換熱問題，須選用相應的無量綱數關係式來計算。例如，對於管內湍流換熱，在104≤Ref ≤1.2×105、0.6≤Prf≤120、流體與固體表面的溫差不大和壁面光滑的直管道等條件下，可以選用下式