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| SolidWorks對流分析 |
對流
對流是熱量在固體表面和附近移動的流體（或氣體）之間傳送的傳熱模式。對流有兩個(gè)要素：
? 由于隨機(jī)分子運(yùn)動（擴(kuò)散）所引起的能量傳送，以及
? 流體的整體或宏觀運(yùn)動（平流）所引起的能量傳送
對流機(jī)制可以解釋為如下：當(dāng)較熱表面附近的流體層變得更熱時(shí)，其密度會降低（在常壓下，密度與溫度成反比）而變輕。表面附近的較冷（較重）流體將代替較熱流體，循環(huán)模式形成。
溫度為 Tf 的流體和溫度為 Ts、面積為 A 的實(shí)體表面之間的熱交換速率遵循牛頓冷卻定律，可以寫作：
Q對流 = h A (Ts - Tf)
其中 h 是對流傳熱系數(shù)。h 的單位是 W/m2.K 或 Btu/s.in2.F。對流傳熱系數(shù) (h) 取決于流體運(yùn)動、幾何形狀以及熱力學(xué)和物理屬性。
一般來說，有兩種模式的對流傳熱：
自然（自由）對流
固體表面附近的流體運(yùn)動是由浮力造成的，而浮力是由于固體和流體之間的溫差而導(dǎo)致的流體密度變化所引起的。將熱板放在空氣中冷卻時(shí)，板表面附近的空氣微粒變得較熱，密度降低，因此會向上移動。
強(qiáng)迫對流
外部方式（如風(fēng)扇或泵）用來加速流體在固體表面的流動。流體微粒在固體表面的快速運(yùn)動使溫度梯度最大化，并增加了熱交換速率。在下圖中，在熱盤上強(qiáng)迫擴(kuò)散空氣。
對流傳熱系數(shù)
牛頓冷卻定律提出：熱量離開溫度為 Ts 的表面進(jìn)入溫度為 Tf 的周圍流體的傳熱速率由以下方程式計(jì)算：
Q對流 = h A (Ts - Tf)
其中傳熱系數(shù) h 的單位是 W/m2.K 或 Btu/s.in2.F。系數(shù) h 不是一種熱力學(xué)屬性。它是流體狀態(tài)和流動條件的簡化關(guān)系，因此，通常稱之為流動屬性。
對流與邊界層的概念相關(guān)，邊界層是在一個(gè)假想的靠近靜止分子的表面與周圍環(huán)境中流體的流動之間的一個(gè)薄過渡層。這顯示在下圖流過平板的流動中。
其中 u(x,y) 是 x 方向的速度。一直到流體層外邊線的區(qū)域（定義為自由氣流速度的 99%）稱為流體邊界層厚度 ?(x)。
類似的草圖可以由表面溫度到周圍溫度的溫度過渡來構(gòu)成。溫度變化的圖解如下圖中所示。請注意，熱邊界層厚度不一定與流體的邊界層厚度相同。構(gòu)成 Prandtl 數(shù) 控制兩種邊界層的相對大小。Prandtl 數(shù) (Pr) 為 1 將隱含兩種邊界層的行為相同。
通過邊界層傳熱的實(shí)際機(jī)制被認(rèn)為是通過墻壁附近的靜止流體在 y 方向上的傳導(dǎo)，它等于從邊界層到流體的對流速率。這可以寫成：
h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s
因此，給定情況的對流系數(shù)可以通過以下方式計(jì)算：測量傳熱速率和溫差，或者測量表面附近的溫度梯度和溫差。
測量邊界層上的溫度梯度需要高精確度，一般在算例實(shí)驗(yàn)室中完成。許多手冊包含不同配置的對流傳熱系數(shù)的表列值。
下表列出了對流傳熱系數(shù)的一些典型值：
介質(zhì) 傳熱系數(shù) h (W/m2.K)
空氣（自然對流） 5-25
空氣/過熱蒸汽（強(qiáng)迫對流） 20-300
油（強(qiáng)迫對流） 60-1800
水（強(qiáng)迫對流） 300-6000
水（沸騰） 3000-60,000
蒸汽（冷凝） 6000-120,000
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