自然对流表面传热系数的经验公式中,为什么系数各不相同?

物理答案 2023-04-26

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应用条件不一样. 对流换热系数流体与固体表面之间的换热能力,即物体表面与附近空气温差1℃、单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量.单位为W/(m2·℃).表面对流换热系数的数值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及空气的流速等都有密切关系.表面附近的气流速度愈大,其表面对流换热系数也愈大.如人处在风速较大的环境中,由于皮肤表面的对流换热系数较大,其散热（或吸热）量也较大.对流换热系数可用经验公式计算,通常用巴兹公式计算.
对流传热系数也称对流换热系数.对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出,又称牛顿冷却定律.牛顿指出,流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比,即：
q = h*(tw-t∞)
Q = h*A*(tw-t∞)
式中：
q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量,称作热流密度,单位W/m^2；
tw、t∞分别为固体表面和流体的温度,单位K；
A为壁面面积,单位m；
Q为面积A上的传热热量,单位W；
h称为表面对流传热系数,单位W/m.K.
对流换热系数h的物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为1K时, 1m壁面面积在每秒所能传递的热量.h的大小反映对流换热的强弱.
如上所述,h与影响换热过程的诸因素有关,并且可以在很大的范围内变化,所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式.它既没有揭示影响对流换热的诸因素与h之间的内在联系,也没有给工程计算带来任何实质性的简化,只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了.因此,在工程传热计算中,主要的任务是计算h.计算传热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法.
影响对流传热强弱的主要因素有：
1. 对流运动成因和流动状态；
2. 流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化）；
3. 传热表面的形状、尺寸和相对位置；
4. 流体有无相变（如气态与液态之间的转化）.
在不同的情况下,传热强度会发生成倍直至成千倍的变化,所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程.