對流換熱的案例
star-ccm+管內換熱知識之關于對流換熱系數的解釋
對流換熱是指發生于運動流體和固體壁面之間的熱交換現象。
對流換熱強度由牛頓冷卻定律來確定：
qs=h(T。-Trer)(1)
式中，qs為熱流密度，h為對流換熱系數，T為固體壁面溫度，Trer為運動流體的特征溫度(參考溫度)。
在上述公式中，熱流密度和溫差之間呈現一個簡單的線性關系，但是，在真實的對流換熱中，由于壁面處的流動處處不同，造成q和h在壁面的分布也不相同。更為重要的是，對流換熱系數的定義必須依賴于給定的參考溫度，因此，對于相同的熱流密度來說，存在多種對流換熱系數和參考溫度的組合。
傳統上，換熱系數數據來源于實驗。但是，邊界層理論(位于表面附近的流體層，其中粘度和導熱的影響占主導地位)的發展使得我們能夠用分析的方法計算對流換熱系數。因此，在STAR-CCM中，使用邊界層理論來計算對流換熱系數。因此，在 STAR-CCM+中，模擬對流換熱系數的概念核心來源于標準壁面函數( standard wall！function，SWF)，熱流密度的公式為
公式中的參數解釋如下：
聯立公式(1)和(2)即可求得對流換熱系數。對流換熱系數總是與參考溫度成對出現的，不能只說對流換熱系數而不說明參考溫度。標準壁面函數(SWF)是一組半經驗函數，用于描述近壁區域(邊界層)中的流動現象。該模型使用層流/湍流 Randt數、無量綱近壁面速度、湍流能量來描述T和α
在本節中，我們討論關于準確使用SWF和上述內置后處理傳熱系數的建議，但重申STAR-CCM+總是使用公式(2)來求解表面局部熱通量。這個表達式體現了重要的邊界層概念，
用戶需要遵循建議以確保其正確應用該模型。
展開 對流換熱系數
對流換熱系數表征了流體與固體表面之間的換熱能力。比如說，物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時間單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對流換熱系數的數值與換熱過程中流體的物理性質、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對流換熱系數也愈大。如人處在風速較大的環境中，由于皮膚表面的對流換熱系數較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對流換熱系數可用經驗公式計算，通常用巴茲公式計算。
對流換熱系數的基本計算公式由牛頓于1701年提出，又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比，即：
q = h*(tw-t∞)
Q = h*A*(tw-t∞)=q*A
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，單位W/m^2；
tw、t∞分別為固體表面和流體的溫度，單位K；
A為壁面面積，單位m^2；
Q為面積A上的傳熱熱量，單位W；
h稱為表面對流傳熱系數，單位W/(m^2·K)。
對流換熱系數h的物理意義是：當流體與固體表面之間的溫度差為1K時， 1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強弱。
如上所述，h與影響換熱過程的諸因素有關，并且可以在很大的范圍內變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數的一個定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內在聯系,也沒有給工程計算帶來任何實質性的簡化，只不過把問題的復雜性轉移到傳熱系數的確定上去了。因此，在工程傳熱計算中，主要的任務是計算h。計算傳熱系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。
影響對流傳熱強弱的主要因素有：
1. 對流運動成因和流動狀態；
2. 流體的物理性質（隨種類、溫度和壓力而變化）；
3.
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數仿真估算
當放電深度大于0.8時，通過溫度仿真曲線可以看出4 A仿真與實際溫度誤差值為負，而5 A仿真與實際溫度誤差為正；同時此區間內5 A絕對誤差高于4 A，因而導致5 A修正估算數值高于4 A對流換熱系數。
05
結論
基于電池實驗測定和電池簡化模型，采用基礎發熱模型描述了單電池生熱速率。通過實驗得到單電池溫度及電阻參數；通過公式編寫了內核及對流換熱系數UDF模型。基于18650型單體鋰離子電池三維數值模型，研究了單體鋰離子電池在恒溫環境自定義熱源下，對流換熱系數的變化。通過實驗及仿真計算分析得出以下結論：
(1)對三組電池進行實驗測試，測得電池恒溫放電工況下的實際放電溫度、內阻、容量及能量，測試結果表明，放電電流越大電池平均阻值就越高；放電電流越高其生熱率越大，電池溫升也就越高；
(2)以測試值構建了單體鋰離子電池的生熱源，根據實際溫度值，通過仿真估算得出對流換熱系數，結果表明，在環境溫度為27 ℃時，電池對流換熱系數隨著放電深度的提高而增加，放電電流越大放電后期對流換熱系數越高，此結果仿真出的電池溫度誤差精度均小于5%；
(3)仿真結果與實驗對比分析結果較好地體現了單體鋰離子電池在相同溫度、不同放電電流下的生熱變化情況，所確立的單體鋰離子電池對流換熱系數，對后續電池成組熱分析具有參考價值。
參考文獻：
[1] BERNARDI D, NEWMAN J, PAWLIKOWSKI E. A general energy balance forbattery systems[J]. J Electrochem Soc, 1985, 132(1):5-10.
[2] CHEN S C, WAN C C, WANG Y Y.
展開 Spring-ICE 結冰算法述評-（5）對流換熱系數計算
1 對流換熱系數是個啥
我們都知道，換熱有三種方式：熱對流、熱傳導和熱輻射。對流換熱系數，顧名思義就是表征熱對流方式中，流體和固體間傳熱能力的一個值。說是系數，它可不是無量綱的。
對流換熱系數在結冰里能干啥呢？看一看結冰能量方程就會發現，對流換熱系數在摩擦、蒸發、升華等各個項里都起作用。一言以蔽之，對流換熱系數在結冰里是用來求解能量方程的。
2 對流換熱系數怎么算？
我們前面還提到，要調研分析，總結共性和異性。這里我們就來做一做。
總的來說，對流換熱系數的計算可以分成兩類辦法，一類是簡單明了，帶有經驗性質的。另一類是復雜玄幻，同樣帶有經驗性質的。
簡單的
復雜的
仔細研究就能發現，這個簡單的辦法，沒有復雜的公式嵌套和微積分運算。這個復雜的就是公式套公式，積分又積分
我們多數人都有這樣的幻覺，仿佛越復雜精密的理論出來的結果就會越準。我自己在做這個部分的時候，開始也是如此想。
但是一旦去使用那個復雜方法就會發現問題很多，很多地方不明確，出來的結果很怪異。看似精密，其實我研究過的文獻都沒把這個事情講清楚，甚至連一些關鍵參數，大家用的還有差別。
后來我決定，拿LEWICE的換熱系數結果和這兩個方法比比，看看究竟如何。
結論是：兩個都不準！！要非說誰好一點，還是那個簡單方法更好一點。
展開 
波紋板的對流換熱數值仿真 ￥800
波紋板是一種具有波浪狀結構的金屬板，在對流換熱中具有重要的應用。波紋板的波浪狀形態可以增加其表面積，提高熱傳導效率和對流換熱效果。本案例建立了一簡化二維模型，基于COMSOL軟件的熱-流耦合相關模塊，數值仿真得到對流換熱后的溫度場和速度場分布，如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
Tips--FloTherm查看對流換熱系數
Flotherm軟件可根據定義邊界條件，計算表面對流換熱，具體查看方法：
在后處理Table中的Geometry模塊，然后勾選Solid Conductors，在其中的Cuboid Fluxes就能看查看關注對象的對流換熱系數。
基于comsol的多隔層對流換熱
基于comsol的多隔層對流換熱
「CFD案例-Fluent」23 固體圓柱自然對流換熱二維瞬態分析
本案例在ANSYS2019R3中演示了如何利用Fluent進行固體圓柱自然對流換熱二維瞬態CFD仿真。首先于DesignModeler中建立幾何模型，接著導入ANSYS Mesh進行網格劃分，并進行命名邊界條件，然后利用Fluent進行求解，最后在CFD-POST中進行后處理。案例基于2D、瞬態求解。
一
案例模型
二
Workbench設置
▼ 將Fluid Flow(Fluent)拖入右邊空白界面。
▼ 以DesignModeler方式打開Geometry。
模型建立完畢，轉入ANSYS Mesh，網格劃分。
三
Fluent設置
▼ 打開Fluent登錄界面進行設置。
展開 【AICFD案例教程】IGBT對流換熱分析
AICFD是由天洑軟件自主研發的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設備和車輛運載等領域復雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結果處理完整仿真分析流程，幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，提高企業研發效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例針對功率模塊進行流熱固耦合仿真。
① 模型簡化：選取整個模型1/6，基板下側增加水冷盤管和水路；
② 載荷：考慮芯片(每塊體積為25.35 mm^3)的產生的焦耳熱，總功耗均分到每個芯片中，施加體積熱源。案例最后可查看溫度分布和速度流線圖。
③ 邊界條件：水側對流換熱，入口速度8m/s。
2）網格
一階四面體網格，單元數8779036，節點數2233260。
圖1-1 網格模型
二、網 格
1）新建工程
① 啟動AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設置工程文件名，點擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網格導入
單擊菜單欄網格>導入網格，導入外部生成的計算域網格。
圖2-3 網格導入
3）網格質量檢查
單擊菜單欄 網格>網格質量，檢查網格質量。
圖2-4 網格質量檢查
三、求解設置
1）求解模型
雙擊 求解>求解模型，設置湍流模型。本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standardk-epsilon模型。
展開 有限元熱力學常見概念匯總
Film Coefficient(對流換熱系數)
流體與固體表面之間的換熱能力，比如說，物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時間單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對流換熱系數的數值與換熱過程中流體的物理性質、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關系。
物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對流換熱系數也愈大。如人處在風速較大的環境中，由于皮膚表面的對流換熱系數較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對流換熱系數可用經驗公式計算，通常用巴茲公式計算。
1、詳細內容
對流傳熱系數也稱對流換熱系數。對流換熱系數的基本計算公式由牛頓于1701年提出，又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比，即：
q = h*(tw-t∞)
Q = h*A*(tw-t∞)=q*A
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，單位W/m^2；
tw、t∞分別為固體表面和流體的溫度，單位K；
A為壁面面積，單位m^2；
Q為面積A上的傳熱熱量，單位W；
h稱為表面對流傳熱系數，單位W/(m^2.K)。
2、理論發展
對流換熱系數h的物理意義是：當流體與固體表面之間的溫度差為1K時,1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強弱。
如上所述，h與影響換熱過程的諸因素有關，并且可以在很大的范圍內變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數的一個定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內在聯系,也沒有給工程計算帶來任何實質性的簡化，只不過把問題的復雜性轉移到傳熱系數的確定上去了。
因此，在工程傳熱計算中，主要的任務是計算h。
展開 幾種常見的散熱器優化設計思路
圖為 均溫板的效果仿真示意圖：無均溫板（左）底部鑲嵌均溫板（右）
2、對流換熱——強化對流換熱效率
元器件的熱量通過熱傳導傳遞到散熱器上之后，需要通過對流和輻射換熱將熱量散熱器到環境中去，完成熱量的散失。散熱器翅片和周圍流動的空氣之間的換熱方式，是對流換熱。先來看用來描述對流換熱的牛頓冷卻定律：
式中，q為傳熱量，h稱為對流換熱系數，A為換熱面面積，Tw為固體表面溫度，Tf為流體溫度。
顯然，通過提升對流換熱面積，可以直接強化換熱。但提升換熱面積，通常意味著散熱器要做的尺寸更大，進而導致產品整體尺寸變大。這不符合電子產品越來越緊湊的趨勢。另外，絕大多數情況下，加大散熱器還意味著散熱成本提升。當空間給定，加大散熱面積還必須要考慮系統風阻，因為細密的散熱器在加大散熱面積的同時，還會增加風阻，影響內部空氣流動，進而降低對流換熱系數。一個常規的現象足以說明翅片密度和風阻之間的關系這一點：強迫風冷的產品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產品中散熱器翅片密度大。
強迫風冷服務器中的細密齒散熱器（左）
自然散熱產品中的稀疏齒散熱器（右）
我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對流換熱系數是一個乘積的關系，要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數的綜合最優值，需要多次測試優化對比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節省成本，提高效率，通常會進行仿真預測最優的散熱器設計方案。尋找散熱面積和對流換熱系數的綜合最優點是熱設計工程師的重要工作內容。
除了單純改變散熱器齒間距來獲得更高的對流換熱系數，散熱器的斷齒、斜齒、開花齒等，都是在散熱面積與對流換熱系數之間做權衡。通過降風阻、間隙吸入冷風的效應，來優化散熱效果。
展開 
不同濃度乙二醇冷卻液對散熱性能影響的研究 附乙二醇水溶液物性下載
圖2 液冷散熱器實物圖
1
液冷散熱器散熱性能分析
流體流過固體表面時，流體與固體間的熱量交換稱為對流傳熱，是液冷散熱器主要的換熱形式。對流換熱由牛頓冷卻公式計算。
（1）
式中：
q—熱功率，W；
h—對流換熱系數，W/(m2·K)；
S—散熱面積，m2；
?t—溫差，K。
流體的物性參數會影響冷媒在管內運動過程中的運動狀態，繼而影響換熱效果。液冷散熱器中的流動過程通常為無相變的強制對流傳熱，流體的密度ρ，動力粘度μ，導熱系數λ和定壓比熱容cp都會影響流體的傳熱能力。
展開 系統仿真軟件AMESim熱管理模塊學習：熱管理基礎
自然對流換熱：Nu = f(Gr,Pr) = C(Gr.Pr)的n次方 = C.R×a的n次方，對于層流換熱，n = 0.25，對于湍流換熱，n=0.33
在Amesim中如上的參數可以通過軟件設定，對于特定系統，如何決定強迫對流和自然對流的比例通過如下計算：
Gr/Re平方，若<<1，則忽略自然對流，若>>1，則忽略強迫對流，若≈1，則都需要考慮。
對于一般的通用換熱器我們得到換熱量由換熱效率乘以最大換熱能力，最大換熱能力由Cmin×（Thotin - Tcoldin），Cmin是最小熱熔率，通過C=dm×Cp計算，最小熱容即為兩個物體的最小熱容，Thotin和Tcoldin為熱邊溫度和冷邊溫度。
而換熱效率 = f(Ntu,Cmin/Cmax), Ntu = UA/
而UA = 1/（Rth1+Rtall + Rth2）等效熱導，展開如下：
UA = 1/（d1/(Nu1×λ1×A1) + 1/Gtall + d1/(Nu1×λ1×Atu2)）->
Nu= α×Re×Pr（就是要確定這個，A，d1都是換熱器的參數）
其中d1/(Nu1×λ1×A1)為水側的熱阻，d1/(Nu1×λ1×Atu2)為風側的熱阻，1/Gtall為接觸熱阻
3. 基礎熱管理建模
3.1 熱管理基本建模思路
我們對于熱部件的建模獲取的最終結果是溫度，但是溫度只是一個發熱和換熱結果的反映，發熱邊界+流量系統+對流換熱是建模的必須要做的三件事情，也就是把一個系統拆解成這三件事去建模。
對于熱流體屬性Amesim提供了專業庫，一般情況可以直接在庫中找到，對于熱流體屬性提供三種計算模式：能量平衡模式（計算溫度變化的模式）、等熵模式、等溫模式。
關鍵概念：容性和阻性，容性：輸入流量和輸入壓力，阻性：根據變壓差算流量。
展開 剎車盤怎么冷卻更高效？CFD仿真來教你！
第二步是計算不同車速下整車模型中制動盤的對流換熱系數，以AMS100為例，可以選取100km/h，80km/h，60km/h，40km/h，20km/h五個車速，分別計算不同車速下制動盤的對流換熱系數，然后可以采用插值的方法得到0-100km/h范圍內車速和對流換熱系數之間的關系。
第三步結合制動盤的發熱功率以及對流換熱系數，就可以計算AMS循環中瞬態的盤溫變化。在制動盤模型中我們需要考慮固體的導熱，摩擦副中的熱流密度以及與空氣接觸面的對流換熱系數。這里可以采用滑移網格的方法考慮制動盤的轉動。最后可以得到如下的制動盤溫度分布以及瞬態的制動盤最高溫度變化曲線[5]。
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參考資料
[1]https://www.autohome.com.cn/tech/200810/46997.html
[2]https://chejiahao.autohome.com.cn/info/4909435#pvareaid=28086821202
[3] 杜旭之[1], 楊志剛[1], 李啟良[1], et al. 某乘用車制動盤冷卻特性的研究[J]. 同濟大學學報：自然科學版, 2016(44):793.
[4]蘆克龍. 基于CFD的汽車制動盤散熱性數值計算與優化[D]. 2011.
[5] 周凡華, 吳光強, 沈浩, et al. 盤式制動器15次循環制動溫度計算[J]. 汽車工程, 2001, 23(6):411-413.
展開 如何提高換熱器的傳熱系數，你學會了嗎？
在一定的熱源溫度下，對流換熱系數隨著Re值而增加，且將達到某一個最大值然后下降。在應用上應控制實際的Re值接近于使對流換熱系數達最大時的臨界Re值，以充分利用旋轉流動的效果。除了流體轉動外，也有傳熱面轉動的情況，當管道繞不同軸線旋轉時利用其離心力、切應力、重力和浮力等所產生的二次環流可促使傳熱強化。管道旋轉對層流放熱的強化效果顯著，而湍流時效果不明顯。過冷沸騰與大空間沸騰的試驗表明，對于帶有螺旋斜面和切向槽渦流發生器的管道，可使沸騰換熱系數或臨界熱負荷得到提高。
(5)依靠外來能量作用
大體上有三方面措施：
①用機械或電的方法使傳熱表面或流體發生振動或通過攪拌使流體很好地混合。試驗表明，振動對于自由流動換熱、受迫流動換熱均有一定效果。對于沸騰換熱的效果不明顯，但在流體振動時對于旺盛的大空間沸騰，可使臨界熱負荷顯著提高。此法對大型換熱設備，在具體應用上有一定困難。利用機械傳動帶動攪拌器，通過流體的良好混合來強化對流換熱，效果顯著，故應用較廣，尤其對于高黏度的流體。
②對流體施加聲波或超聲波，使之交替地受到壓縮和膨脹，以增加脈動而強化傳熱。綜合各研究者試驗研究結果顯示出，對于液體或氣體，只有處于管內層流或過渡流時，聲波作用才較明顯。對于大空間泡狀沸騰的換熱影響極微，而對于過渡沸騰或膜態沸騰的換熱改善較為顯著。對于凝結換熱及自由流動換熱均有一定效果。在聲波強化措施的實用中，要注意解決如何更有效地將聲振動或超聲振動傳送至換熱設備內部的問題。③電磁場作用。對于參與換熱的流體加以高電壓而形成一個非均勻的徑向電場，這樣的靜電場能引起傳熱面附近電介質流體的混合作用，因而使對流換熱加強。試驗表明對于自由流動換熱、膜狀沸騰換熱、凝結換熱的強化效果均較顯著。
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