如何估算自然对流传热系数
介绍
一般来说，对流可以定义为通过加热流体（例如空气或水）的运动来传递热量的过程。
自然对流（对流的一种特定类型）可以定义为流体在重力作用下由于较热因此密度较小的物质上升，而较冷且密度较大的物质下沉的趋势而引起的运动，从而导致热量的传递。
本文档的目的是演示如何计算这些被空气或保持恒定环境温度的水包围的表面的传热系数，并讨论与几种简单类型的自然对流（流过平坦的垂直或水平板）相关的理论。
此 Excel 电子表格根据定义的环境温度下的空气和水特性计算对流传热系数，同时使用下面计算详细信息中描述的公式。此电子表格的优点是它简化了两个复杂的任务：
- 提供感兴趣的环境温度下空气和水的性质，以及
- 几种典型场景下自然对流传热系数计算
如何操作Excel自然对流工作表
将 Excel 电子表格下载到您的计算机并打开。
可以看到三个选项卡：“自然对流”、“空气特性”和“水特性”。所有计算都在“自然对流”工作表中进行。输入值输入到绿色的
“表面温度”、“环境空气/流体温度”和“表面长度”字段中。结果显示在橙色
字段中。
空气和水的特性是根据“环境空气/流体温度”根据“空气特性”和“水特性”工作表中体现的表格数据，通过一系列曲线拟合公式计算得出的。
一开始可能不知道“表面温度”，但我们会猜测一下，以计算第一个对流传热系数。我们将这个对流传热系数应用到我们的模型中，并进行分析以求解温度，得出同一表面的“平均”温度。我们在电子表格中输入这个“新”平均温度来计算“新”对流传热系数，并将该“新”值应用到我们的模型中，分析并求解温度。我们重复这个过程，直到求解的平均温度和我们用来估计对流传热系数的温度之间几乎没有变化。这个温度通常在 1 到 3 次迭代后收敛。
计算针对“空气”（B 列）和“水”（C 列），并显示在标有“空气”的列中。显然，“空气”对流传热系数比“水”小得多。
“表面长度”也称为“沿表面流动方向的长度”。对于矩形平板水平板，这将是两个尺寸中较小的一个。例如，一个 300 毫米 x 600 毫米的板，我们将使用 300 毫米作为长度，因为这是流体流动阻力最小的路径。但是，如果我们的平板倾斜或垂直，那么这个距离代表倾斜方向上的板长度。要清楚的是，如果我们的 300 毫米 x 600 毫米的板倾斜，以至于长边方向在一端被抬起，那么我们的长度将是 600 毫米，并输入到我们的计算中。对于垂直板，这个长度就是我们的板高。
计算详细信息
以下公式来源于《传热学导论》第三版（Incropera 和 DeWitt 编著），“经验相关性：外部自然对流，第 9.6 章”。
这些计算的基本前提是，我们要分析的物体与周围的环境流体（气体或液体）之间存在温差。这种温差改变了物体附近流体的局部密度，流体开始移动，与密度不同的流体分子交换位置。这种移动的速率取决于流体特性和温差。最终，由于这种移动，热量从较热的热源转移到较冷的散热器。这种对流作用的速率与周围流体的传热能力直接相关。例如，如果周围的流体是水，那么与相同温度条件但被空气包围相比，会发生更多的热传递。
这些公式基于一系列无量纲数，例如努塞尔特数、瑞利数和普朗特数，以及我们周围流体的各种特性。我们传热对象使用的唯一特性是整个表面的平均温度，我们将为此应用我们新计算的对流传热系数。
