簡介
自由對流，亦稱“自由對流換熱”,簡稱“自然對流”。由於各部分溫度不均勻而形成密度差,從而在重力場或其他力場中產生浮升力所 引起的對流換熱現象。 按周圍空間 大小的不同,有大空間和有限空間內自然對流換熱兩類。前者在加熱 (或冷卻)表面的四周並不存在其他足以阻礙流體流動的物體,流動可充分展開。
由於流體內部溫度差引起密度不同而形成浮升力,在此浮升力引發的運動下所產生的換熱過程,又稱自由運動換熱。熱力管道、熱力設備、鍋爐爐體等與周圍空氣之間的換熱都是自然對流換熱。它的強度取決於流體沿固體換熱表面的流動狀態及其發展情況,而這些又與流體流動的空間和換熱表面的形狀、尺寸、表面與流體之間的溫差、流體的種類與物性參數等許多因素有關,是一個客群多因素影響的複雜過程。
產生原因
引起自然對流的浮升力實際上來自流體的密度梯度以及與該密度梯度成正比的體積力 ( 或稱為徹體力 ) 的聯合作用。在地球引力場範圍內，最普遍存在的體積力是重力。當然還可以是由旋轉運動導致的離心力、電磁場中的電磁力等。造成介質密度梯度的原因也有多種，其中最主要的是溫度差。
分類
自然對流換熱問題常常按流體所處空間的特點分成兩大類：如果流體處於相對很大的空間，邊界層的發展不受限制和干擾，稱為無限空間的自然對流換熱；若流體空間相對狹小，邊界層無法自由展開，則稱為有限空間的自然對流換熱。
數值解法
近年來已經提出了許多數值計算方法 ,用來求解流體流動及對流換熱問題。常用的方法有 :有限差分法、有限元法、邊界元法、有限分析法。從方法發展與積累的經驗、實施的難易及套用的廣泛性等方面 ,就目前而言 ,隨著計算機的套用 ,有限差分法還是一種通用的方法。有限差分法可以採用不同的差分格式 ,通常選用顯格式和隱格式。凱勒單元法實質上也是一種隱格式 ,其主要特點有 :無條件穩定 ,可用變步長格線、二階精度 ,可取較大的步長值、聯立方程求解的程式編制簡便 ,但在建立離散方程係數時 ,其運算比較複雜。由於凱勒單元法有其固有特性 ,因此 ,早在 70年代 ,就有許多的研究者將此法用於求解邊界層問題。在最近 2 0年中 ,此方法發展已比較成熟。關於採用凱勒單元法求解邊界層問題的詳細內容見文獻,但是他們的興趣在於強制對流換熱 ,而不是自然對流換熱。
數值模擬研究
封閉空間內的自然對流換熱是計算流體力學和數值傳熱學的經典課題之一,在工程領域有著非常廣泛的套用,在航空設計、大氣科學、建築設計,電子元件冷卻、核反應等方面均涉及到。人們對自然對流換熱已經進行了大量的實驗和數值研究,D e V ah lD av is G最早發表了封閉方腔自然對流換熱問題的基準解,對穩態的有水平熱源的自然對流換熱進行了計算,瑞利數R a達到106。Le Q uér[é2]繼續進行計算,使R a達到了108。B.Calcagn i[3]和M uhamm adA.R.Sharif等分別研究了封閉方腔內的底部加熱側面冷卻的自然對流問題,實驗和數值分析了熱源尺寸對傳熱的影響。
數值計算
對於結構熱分析來說，主要目的是得到結構上的溫度分布，即壁溫未知，因此流體溫度和壁溫的溫差 ΔT 也是未知的。在這種情況下，僅從自然對流實驗關聯式無法計算換熱係數。另一方面，ANSYS 穩態熱分析將流體溫度和換熱係數作為結構熱分析的邊界條件，通過有限元分析可以得到結構的溫度場分布。因此本文結合 ANSYS 穩態熱分析和自然對流換熱實驗關聯式，提出一種疊代的計算方法，具體描述如下：首先假設一個換熱係數試算值，用 ANSYS 穩態熱分析計算得到結構的溫度場分布，然後根據實際流體溫度和有限元計算得到的壁溫求得溫差，應力用自然對流實驗關聯式計算該溫差下對應的換熱係數，繼而可用 ANSYS 進行第二次穩態熱分析進行疊代分析。如果 ANSYS 穩態熱分析前後的換熱係數相差不超過 1%，即可認為疊代收斂，得到最終的換熱係數。
該方法具有以下優點：（1）通用性強。該方法沒有特殊的針對性，因此適用於自然對流引起的換熱係數計算；（2）無須建立額外的計算模型。由於結構熱分析本身就需要建立熱分析有限元模型，因此該方法只需調用模型即可；由於 ANSYS 疊代計算是通過結構熱分析進行的，無須建立流體模型。（3）可利用 ANSYS 參數化設計語言(APDL)，通過編程，達到 ANSYS 疊代計算的目的，提高工作效率。
