對(duì)流換熱系數(shù)的案例
star-ccm+管內(nèi)換熱知識(shí)之關(guān)于對(duì)流換熱系數(shù)的解釋
對(duì)流換熱是指發(fā)生于運(yùn)動(dòng)流體和固體壁面之間的熱交換現(xiàn)象。
對(duì)流換熱強(qiáng)度由牛頓冷卻定律來(lái)確定：
qs=h(T。-Trer)(1)
式中，qs為熱流密度，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T為固體壁面溫度，Trer為運(yùn)動(dòng)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(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但是，在真實(shí)的對(duì)流換熱中，由于壁面處的流動(dòng)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(duì)流換熱系數(shù)的定義必須依賴于給定的參考溫度，因此，對(duì)于相同的熱流密度來(lái)說(shuō)，存在多種對(duì)流換熱系數(shù)和參考溫度的組合。
傳統(tǒng)上，換熱系數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)。但是，邊界層理論(位于表面附近的流體層，其中粘度和導(dǎo)熱的影響占主導(dǎo)地位)的發(fā)展使得我們能夠用分析的方法計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)。因此，在STAR-CCM中，使用邊界層理論來(lái)計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)。因此，在 STAR-CCM+中，模擬對(duì)流換熱系數(shù)的概念核心來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)( standard wall！function，SWF)，熱流密度的公式為
公式中的參數(shù)解釋如下：
聯(lián)立公式(1)和(2)即可求得對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)總是與參考溫度成對(duì)出現(xiàn)的，不能只說(shuō)對(duì)流換熱系數(shù)而不說(shuō)明參考溫度。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(SWF)是一組半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，用于描述近壁區(qū)域(邊界層)中的流動(dòng)現(xiàn)象。該模型使用層流/湍流 Randt數(shù)、無(wú)量綱近壁面速度、湍流能量來(lái)描述T和α
在本節(jié)中，我們討論關(guān)于準(zhǔn)確使用SWF和上述內(nèi)置后處理傳熱系數(shù)的建議，但重申STAR-CCM+總是使用公式(2)來(lái)求解表面局部熱通量。這個(gè)表達(dá)式體現(xiàn)了重要的邊界層概念，
用戶需要遵循建議以確保其正確應(yīng)用該模型。
展開(kāi) 對(duì)流換熱系數(shù)
對(duì)流換熱系數(shù)表征了流體與固體表面之間的換熱能力。比如說(shuō)，物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時(shí)間單位面積上通過(guò)對(duì)流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過(guò)程中流體的物理性質(zhì)、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(guān)系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對(duì)流換熱系數(shù)也愈大。如人處在風(fēng)速較大的環(huán)境中，由于皮膚表面的對(duì)流換熱系數(shù)較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對(duì)流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通常用巴茲公式計(jì)算。
對(duì)流換熱系數(shù)的基本計(jì)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(duì)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(shí)間內(nèi)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(duì)流傳熱系數(shù)，單位W/(m^2·K)。
對(duì)流換熱系數(shù)h的物理意義是：當(dāng)流體與固體表面之間的溫度差為1K時(shí)， 1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。
如上所述，h與影響換熱過(guò)程的諸因素有關(guān)，并且可以在很大的范圍內(nèi)變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數(shù)的一個(gè)定義式。它既沒(méi)有揭示影響對(duì)流換熱的諸因素與h之間的內(nèi)在聯(lián)系,也沒(méi)有給工程計(jì)算帶來(lái)任何實(shí)質(zhì)性的簡(jiǎn)化，只不過(guò)把問(wèn)題的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到傳熱系數(shù)的確定上去了。因此，在工程傳熱計(jì)算中，主要的任務(wù)是計(jì)算h。計(jì)算傳熱系數(shù)的方法主要有實(shí)驗(yàn)求解法、數(shù)學(xué)分析解法和數(shù)值分析解法。
影響對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的主要因素有：
1. 對(duì)流運(yùn)動(dòng)成因和流動(dòng)狀態(tài)；
2. 流體的物理性質(zhì)（隨種類、溫度和壓力而變化）；
3.
展開(kāi) 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對(duì)流換熱系數(shù)仿真估算
當(dāng)放電深度大于0.8時(shí)，通過(guò)溫度仿真曲線可以看出4 A仿真與實(shí)際溫度誤差值為負(fù)，而5 A仿真與實(shí)際溫度誤差為正；同時(shí)此區(qū)間內(nèi)5 A絕對(duì)誤差高于4 A，因而導(dǎo)致5 A修正估算數(shù)值高于4 A對(duì)流換熱系數(shù)。
05
結(jié)論
基于電池實(shí)驗(yàn)測(cè)定和電池簡(jiǎn)化模型，采用基礎(chǔ)發(fā)熱模型描述了單電池生熱速率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到單電池溫度及電阻參數(shù)；通過(guò)公式編寫(xiě)了內(nèi)核及對(duì)流換熱系數(shù)UDF模型。基于18650型單體鋰離子電池三維數(shù)值模型，研究了單體鋰離子電池在恒溫環(huán)境自定義熱源下，對(duì)流換熱系數(shù)的變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真計(jì)算分析得出以下結(jié)論：
(1)對(duì)三組電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得電池恒溫放電工況下的實(shí)際放電溫度、內(nèi)阻、容量及能量，測(cè)試結(jié)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(cè)試值構(gòu)建了單體鋰離子電池的生熱源，根據(jù)實(shí)際溫度值，通過(guò)仿真估算得出對(duì)流換熱系數(shù)，結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為27 ℃時(shí)，電池對(duì)流換熱系數(shù)隨著放電深度的提高而增加，放電電流越大放電后期對(duì)流換熱系數(shù)越高，此結(jié)果仿真出的電池溫度誤差精度均小于5%；
(3)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果較好地體現(xiàn)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(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)后續(xù)電池成組熱分析具有參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[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(kāi) Spring-ICE 結(jié)冰算法述評(píng)-（5）對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算
1 對(duì)流換熱系數(shù)是個(gè)啥
我們都知道，換熱有三種方式：熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。對(duì)流換熱系數(shù)，顧名思義就是表征熱對(duì)流方式中，流體和固體間傳熱能力的一個(gè)值。說(shuō)是系數(shù)，它可不是無(wú)量綱的。
對(duì)流換熱系數(shù)在結(jié)冰里能干啥呢？看一看結(jié)冰能量方程就會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)流換熱系數(shù)在摩擦、蒸發(fā)、升華等各個(gè)項(xiàng)里都起作用。一言以蔽之，對(duì)流換熱系數(shù)在結(jié)冰里是用來(lái)求解能量方程的。
2 對(duì)流換熱系數(shù)怎么算？
我們前面還提到，要調(diào)研分析，總結(jié)共性和異性。這里我們就來(lái)做一做。
總的來(lái)說(shuō)，對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算可以分成兩類辦法，一類是簡(jiǎn)單明了，帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的。另一類是復(fù)雜玄幻，同樣帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的。
簡(jiǎn)單的
復(fù)雜的
仔細(xì)研究就能發(fā)現(xiàn)，這個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，沒(méi)有復(fù)雜的公式嵌套和微積分運(yùn)算。這個(gè)復(fù)雜的就是公式套公式，積分又積分
我們多數(shù)人都有這樣的幻覺(jué)，仿佛越復(fù)雜精密的理論出來(lái)的結(jié)果就會(huì)越準(zhǔn)。我自己在做這個(gè)部分的時(shí)候，開(kāi)始也是如此想。
但是一旦去使用那個(gè)復(fù)雜方法就會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題很多，很多地方不明確，出來(lái)的結(jié)果很怪異。看似精密，其實(shí)我研究過(guò)的文獻(xiàn)都沒(méi)把這個(gè)事情講清楚，甚至連一些關(guān)鍵參數(shù)，大家用的還有差別。
后來(lái)我決定，拿LEWICE的換熱系數(shù)結(jié)果和這兩個(gè)方法比比，看看究竟如何。
結(jié)論是：兩個(gè)都不準(zhǔn)！！要非說(shuō)誰(shuí)好一點(diǎn)，還是那個(gè)簡(jiǎn)單方法更好一點(diǎn)。
展開(kāi) 
Tips--FloTherm查看對(duì)流換熱系數(shù)
Flotherm軟件可根據(jù)定義邊界條件，計(jì)算表面對(duì)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(guān)注對(duì)象的對(duì)流換熱系數(shù)。
換熱器的傳熱系數(shù)
改交流體的物性
流體的物性對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有較大的影響，一般導(dǎo)熱系數(shù)與容積比熱較大的流體，其換熱系數(shù)也較大。例如冷卻設(shè)備中用水冷比風(fēng)冷的體積可減小很多，因?yàn)榭諝馀c壁面間的α值在1～60 W/(m2·℃)范圍內(nèi)，而水與壁面間的α值在200～12000 W/(m2·℃)范圍內(nèi)。改變流體某些性能的另一種方法是在流體內(nèi)加入一些添加劑，這是近二三十年來(lái)形成的添加劑強(qiáng)化傳熱研究的新課題。添加劑可以是固體或液體，它與換熱流體組合成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動(dòng)系統(tǒng)。
改交換熱表面情況
換熱表面的性質(zhì)、形狀、大小都對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有很大影響，通常可通過(guò)以下方法增強(qiáng)傳熱：
(1)增加壁面粗糙度
增加壁面粗糙度不僅有利于管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱，也有利于沸騰和凝結(jié)換熱及管外受迫流動(dòng)換熱。同樣的粗糙度在不同流動(dòng)及換熱條件下，對(duì)傳熱效果的影響是不同的。增加粗糙度也會(huì)帶來(lái)流動(dòng)阻力的增加，在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)予考慮。
(2)改變換熱面形狀和大小
為了增大對(duì)流換熱系數(shù)，亦可采用各種異形管和表面開(kāi)槽等，如橢圓管、螺旋管、波紋管、變截面管及縱槽管等。橢圓管在相同截面積下當(dāng)量直徑小于圓管，故換熱系數(shù)大。其他異形管除傳熱面積略有增大外，由于表面形狀的變化，流體在流動(dòng)中將會(huì)不斷改變方向和速度，促使湍流程度加強(qiáng)，邊界層厚度減薄，故能加強(qiáng)傳熱。對(duì)低肋螺紋管，在凝結(jié)換熱時(shí)還具有減薄冷凝膜的作用，對(duì)于有機(jī)工質(zhì)的冷凝（氟利昂等）用低肋螺紋管很有利。在低肋管基礎(chǔ)上發(fā)展而成的微細(xì)肋管，則更有利于氟利昂等低沸點(diǎn)有機(jī)介質(zhì)的冷凝換熱，如日本的C管，我國(guó)的DAC管。對(duì)于垂直凝結(jié)時(shí)，如使用縱槽管，則由于液體的表面張力把波峰處凝液拉入波谷，在波峰處形成極薄凝液膜，而波谷又排泄凝液，故使凝結(jié)換熱強(qiáng)化。
展開(kāi) 如何提高換熱器的傳熱系數(shù)，你學(xué)會(huì)了嗎？
如果在流體中摻入磁鐵粉，則即使在較大的Re數(shù)下，磁場(chǎng)也能對(duì)換熱起強(qiáng)化作用。如，在水或油中摻入磁鐵粉，在磁場(chǎng)的作用下，可使換熱系數(shù)提高50%以上。
改交流體的物性
流體的物性對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有較大的影響，一般導(dǎo)熱系數(shù)與容積比熱較大的流體，其換熱系數(shù)也較大。例如冷卻設(shè)備中用水冷比風(fēng)冷的體積可減小很多，因?yàn)榭諝馀c壁面間的α值在1～60 W/(m2·℃)范圍內(nèi)，而水與壁面間的α值在200～12000 W/(m2·℃)范圍內(nèi)。改變流體某些性能的另一種方法是在流體內(nèi)加入一些添加劑，這是近二三十年來(lái)形成的添加劑強(qiáng)化傳熱研究的新課題。添加劑可以是固體或液體，它與換熱流體組合成氣-固、液-固、汽-液以及液-液混合流動(dòng)系統(tǒng)。
改交換熱表面情況
換熱表面的性質(zhì)、形狀、大小都對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有很大影響，通常可通過(guò)以下方法增強(qiáng)傳熱：
(1)增加壁面粗糙度
增加壁面粗糙度不僅有利于管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱，也有利于沸騰和凝結(jié)換熱及管外受迫流動(dòng)換熱。同樣的粗糙度在不同流動(dòng)及換熱條件下，對(duì)傳熱效果的影響是不同的。增加粗糙度也會(huì)帶來(lái)流動(dòng)阻力的增加，在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)予考慮。
(2)改變換熱面形狀和大小
為了增大對(duì)流換熱系數(shù)，亦可采用各種異形管和表面開(kāi)槽等，如橢圓管、螺旋管、波紋管、變截面管及縱槽管等。橢圓管在相同截面積下當(dāng)量直徑小于圓管，故換熱系數(shù)大。其他異形管除傳熱面積略有增大外，由于表面形狀的變化，流體在流動(dòng)中將會(huì)不斷改變方向和速度，促使湍流程度加強(qiáng)，邊界層厚度減薄，故能加強(qiáng)傳熱。
展開(kāi) 有限元熱力學(xué)常見(jiàn)概念匯總
Film Coefficient(對(duì)流換熱系數(shù))
流體與固體表面之間的換熱能力，比如說(shuō)，物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時(shí)間單位面積上通過(guò)對(duì)流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過(guò)程中流體的物理性質(zhì)、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(guān)系。
物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對(duì)流換熱系數(shù)也愈大。如人處在風(fēng)速較大的環(huán)境中，由于皮膚表面的對(duì)流換熱系數(shù)較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對(duì)流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通常用巴茲公式計(jì)算。
1、詳細(xì)內(nèi)容
對(duì)流傳熱系數(shù)也稱對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)的基本計(jì)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(duì)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(shí)間內(nèi)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(duì)流傳熱系數(shù)，單位W/(m^2.K)。
2、理論發(fā)展
對(duì)流換熱系數(shù)h的物理意義是：當(dāng)流體與固體表面之間的溫度差為1K時(shí),1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。
如上所述，h與影響換熱過(guò)程的諸因素有關(guān)，并且可以在很大的范圍內(nèi)變化，所以牛頓公式只能看作是傳熱系數(shù)的一個(gè)定義式。它既沒(méi)有揭示影響對(duì)流換熱的諸因素與h之間的內(nèi)在聯(lián)系,也沒(méi)有給工程計(jì)算帶來(lái)任何實(shí)質(zhì)性的簡(jiǎn)化，只不過(guò)把問(wèn)題的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到傳熱系數(shù)的確定上去了。
因此，在工程傳熱計(jì)算中，主要的任務(wù)是計(jì)算h。
展開(kāi) 剎車(chē)盤(pán)怎么冷卻更高效？CFD仿真來(lái)教你！
發(fā)熱功率的計(jì)算原理非常簡(jiǎn)單，即認(rèn)為制動(dòng)過(guò)程中整車(chē)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為了制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱功率，所以有：、
Q=mav（Q為發(fā)熱功率，m為整備質(zhì)量，a為制動(dòng)減速度，v為瞬時(shí)車(chē)速）
然后根據(jù)前后軸制動(dòng)力分配系數(shù)來(lái)分配前后輪的發(fā)熱功率。可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者計(jì)算公式再進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)和剎車(chē)片的熱量分配。
第二步是計(jì)算不同車(chē)速下整車(chē)模型中制動(dòng)盤(pán)的對(duì)流換熱系數(shù)，以AMS100為例，可以選取100km/h，80km/h，60km/h，40km/h，20km/h五個(gè)車(chē)速，分別計(jì)算不同車(chē)速下制動(dòng)盤(pán)的對(duì)流換熱系數(shù)，然后可以采用插值的方法得到0-100km/h范圍內(nèi)車(chē)速和對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系。
第三步結(jié)合制動(dòng)盤(pán)的發(fā)熱功率以及對(duì)流換熱系數(shù)，就可以計(jì)算AMS循環(huán)中瞬態(tài)的盤(pán)溫變化。在制動(dòng)盤(pán)模型中我們需要考慮固體的導(dǎo)熱，摩擦副中的熱流密度以及與空氣接觸面的對(duì)流換熱系數(shù)。這里可以采用滑移網(wǎng)格的方法考慮制動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。最后可以得到如下的制動(dòng)盤(pán)溫度分布以及瞬態(tài)的制動(dòng)盤(pán)最高溫度變化曲線[5]。
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參考資料
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展開(kāi) 幾種常見(jiàn)的散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路
圖為 均溫板的效果仿真示意圖：無(wú)均溫板（左）底部鑲嵌均溫板（右）
2、對(duì)流換熱——強(qiáng)化對(duì)流換熱效率
元器件的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到散熱器上之后，需要通過(guò)對(duì)流和輻射換熱將熱量散熱器到環(huán)境中去，完成熱量的散失。散熱器翅片和周?chē)鲃?dòng)的空氣之間的換熱方式，是對(duì)流換熱。先來(lái)看用來(lái)描述對(duì)流換熱的牛頓冷卻定律：
式中，q為傳熱量，h稱為對(duì)流換熱系數(shù)，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(guò)提升對(duì)流換熱面積，可以直接強(qiáng)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(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品整體尺寸變大。這不符合電子產(chǎn)品越來(lái)越緊湊的趨勢(shì)。另外，絕大多數(shù)情況下，加大散熱器還意味著散熱成本提升。當(dāng)空間給定，加大散熱面積還必須要考慮系統(tǒng)風(fēng)阻，因?yàn)榧?xì)密的散熱器在加大散熱面積的同時(shí)，還會(huì)增加風(fēng)阻，影響內(nèi)部空氣流動(dòng)，進(jìn)而降低對(duì)流換熱系數(shù)。一個(gè)常規(guī)的現(xiàn)象足以說(shuō)明翅片密度和風(fēng)阻之間的關(guān)系這一點(diǎn)：強(qiáng)迫風(fēng)冷的產(chǎn)品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產(chǎn)品中散熱器翅片密度大。
強(qiáng)迫風(fēng)冷服務(wù)器中的細(xì)密齒散熱器（左）
自然散熱產(chǎn)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(duì)流換熱系數(shù)是一個(gè)乘積的關(guān)系，要獲得最佳的散熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)值，需要多次測(cè)試優(yōu)化對(duì)比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測(cè)試前，為節(jié)省成本，提高效率，通常會(huì)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)最優(yōu)的散熱器設(shè)計(jì)方案。尋找散熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)點(diǎn)是熱設(shè)計(jì)工程師的重要工作內(nèi)容。
除了單純改變散熱器齒間距來(lái)獲得更高的對(duì)流換熱系數(shù)，散熱器的斷齒、斜齒、開(kāi)花齒等，都是在散熱面積與對(duì)流換熱系數(shù)之間做權(quán)衡。通過(guò)降風(fēng)阻、間隙吸入冷風(fēng)的效應(yīng)，來(lái)優(yōu)化散熱效果。
展開(kāi) 不同濃度乙二醇冷卻液對(duì)散熱性能影響的研究 附乙二醇水溶液物性下載
h=f(ρ,μ,ν，ι,λ,cp) （2）
式中：
ρ——密度，kg/m3；
μ——?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s；
ν——速度，m/s；
ι——特征長(zhǎng)度，m；
λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；
cp——定壓比熱容，J/（kg·K）。
2
對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算
為了計(jì)算管內(nèi)冷媒流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)h，下面引入努塞爾（Nusselt）數(shù)。努塞爾數(shù)用于衡量對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度。
（3）
由努塞爾數(shù)可得對(duì)流換熱系數(shù)求解：
（4）
因此，只需要求得努塞爾數(shù)即可計(jì)算出管內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)。在液冷散熱器工作時(shí)，管內(nèi)通常為強(qiáng)制對(duì)流傳熱形式，因此，選用Dittus-Boelter公式。
展開(kāi) 
CFD基礎(chǔ)課程系列: 第4章 熱的基本概念
對(duì)流換熱系數(shù)隨流體種類，流動(dòng)狀態(tài)，物體形狀的不同而變化，它的值越大被傳遞的熱就越多。
一般來(lái)說(shuō)，流體的熱傳導(dǎo)率越大對(duì)流換熱系數(shù)就越大。因此，氣體相較與液體，液體的對(duì)流換熱系數(shù)更大。
比如，可以走進(jìn)100 ℃的桑拿房，但絕對(duì)進(jìn)不了100 ℃的浴池。這是因?yàn)樗?em>對(duì)流換熱系數(shù)比空氣要大得多，更容易傳遞熱，在水里更容易感覺(jué)水的熱。
還有，傳熱面附近的流速越大對(duì)流換熱系數(shù)就越大。因此，自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流相比，強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)更大。這也是夏天把電風(fēng)扇開(kāi)的越大（風(fēng)速越大）感覺(jué)越?jīng)隹斓脑颉?4.4.3 輻射
構(gòu)成物質(zhì)的分子和原子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)能的一部分會(huì)以電磁波的形式釋放出來(lái)。相反，當(dāng)分子和電子吸收電磁波時(shí)，電磁波的能量會(huì)轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。這種通過(guò)電磁波傳熱的形態(tài)稱為輻射（或者放射）
熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都是需要通過(guò)物質(zhì)來(lái)傳遞熱的。輻射與之不同，沒(méi)有物質(zhì)的媒介也能傳遞熱。因此即便在宇宙等真空中熱也能傳遞。
如圖4.8所示，晴天下的道路和屋頂由于日照而處于高溫狀態(tài)。這是因?yàn)樘?yáng)放射的電磁波通過(guò)宇宙空間和大氣，直接輻射在道路和屋頂?shù)木壒省?圖4.8 輻射的熱傳遞
物體由于輻射吸收或者釋放的能量的比例是用發(fā)射率這個(gè)參數(shù)來(lái)表現(xiàn)的。發(fā)射率是一個(gè)0 – 1之間的數(shù)值。 這個(gè)值越大，由輻射吸收或者釋放能量就越大。物質(zhì)的表面材質(zhì)和顏色不同發(fā)射率也不同。一般來(lái)說(shuō)，黑色物體的發(fā)射率會(huì)高，白色物體或者表面光滑的金屬表面的發(fā)射率會(huì)低。
另外，還有一個(gè)重要的參數(shù)叫角系數(shù)。這是一個(gè)由兩個(gè)傳熱面的幾何形狀和相對(duì)位置決定的0 – 1之間的參數(shù)。角系數(shù)表示一個(gè)面放射出的能量傳到另一個(gè)面的比例。換一種更簡(jiǎn)單的解釋，角系數(shù)表示了產(chǎn)生輻射的一面能看到多少另一方的面積。比如，相互能完整的看到的話，角系數(shù)為1，完全看不到對(duì)方時(shí)為零。
展開(kāi) 鼓式制動(dòng)器熱衰退性能的仿真分析
2.3.2 制動(dòng)鼓外表面對(duì)流換熱系數(shù)的確定
鼓式制動(dòng)器的對(duì)流換熱系數(shù)接近于下列形式的函數(shù)關(guān)系
式中 v—車(chē)速，ft/s；α—經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)，前輪制動(dòng)鼓取0.7，后輪制動(dòng)鼓取0.3，（單位換算時(shí)1 Btu·s/h·℉·ft2=5.67826 W/m2K）；對(duì)于α 的經(jīng)驗(yàn)值推薦選取為0.3，但仿真曲線與試驗(yàn)曲線不吻合，增大對(duì)流換熱系數(shù)的值，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最終確定α為0.4。
2.3.3 物理參數(shù)的確定
當(dāng)緊急剎車(chē)或者長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓內(nèi)表面及制動(dòng)蹄的提及溫度相當(dāng)高，由于材料的熱物理性能參數(shù)是隨溫度的變化而變化的，這會(huì)引起材料物理性能變化，溫度越高，比熱容增大，但材料的導(dǎo)熱系數(shù)K 改變不大，材料的密度變化很小，故導(dǎo)熱系數(shù)和密度按常數(shù)輸入，比熱容在500～600J/kg.℃之間，密度為7200kg/m3，熱傳導(dǎo)率為52W/m.℃。考慮輻射影響，取輻射系數(shù)為0.54。
2.4 基于MATLAB 確定各時(shí)刻邊界條件
利用 MATLAB 對(duì)與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的各工況各時(shí)刻下汽車(chē)行駛速度、熱流密度及對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。汽車(chē)制動(dòng)時(shí)間3.3s，加速時(shí)間46.7s，勻速時(shí)間10s，參考試驗(yàn)各工況運(yùn)動(dòng)參數(shù)，繪制速度隨時(shí)間變化的曲線如圖2 所示。繪制熱流密度隨時(shí)間變化的曲線如圖3 所示。繪制對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。
圖 2 車(chē)速隨時(shí)間變化曲線
圖3 熱流密度隨時(shí)間變化曲線
圖 4 對(duì)流系數(shù)隨時(shí)間變化曲線
3 制動(dòng)鼓的瞬態(tài)熱分析
3.1 制動(dòng)鼓的建模及網(wǎng)格劃分
不影響計(jì)算精度情況下，對(duì)制動(dòng)鼓進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[3]。為了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選擇制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄接觸的中間點(diǎn)為仿真數(shù)據(jù)的測(cè)試點(diǎn)。制動(dòng)鼓幾何模型和測(cè)試點(diǎn)如圖5 所示。
展開(kāi) CFD專欄丨氣體存儲(chǔ)一維CFD仿真
實(shí)驗(yàn)裝置圖
一維仿真原理圖
實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)
一維CFD模型
熱網(wǎng)絡(luò)模型的對(duì)流單元定義
McAdams對(duì)流換熱系數(shù)理論公式：
垂直面的對(duì)流換熱系數(shù)模型
水平面的對(duì)流換熱系數(shù)模型
一維仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比：
氦氣壓力隨時(shí)間的變化，高壓罐=20.79MPa
氦氣溫度隨時(shí)間的變化,高壓罐=20.79MPa
可以看到在前3秒氣體溫度的急劇降低
氦氣溫度隨時(shí)間的變化,高壓罐=2.17MPa
隨著氣源壓力的降低，初始時(shí)刻溫度降低的幅度也減小了
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總結(jié)
采用Flow Simulator分別模擬了氫氣的快充過(guò)程，預(yù)冷氫氣的長(zhǎng)距離管路輸運(yùn)，以及壓縮氦氣的充放過(guò)程。仿真結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)達(dá)到了理想的精度。
展開(kāi) 基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析
圖1 電池模塊艙段模型示意圖
1.2 熱交換過(guò)程
鋰電池組工作時(shí)，電池單體所產(chǎn)生的熱量主要由電池單元?dú)んw與電池艙段內(nèi)的空氣對(duì)流進(jìn)行換熱，再由電池艙內(nèi)的空氣與電池艙殼的內(nèi)表面對(duì)流進(jìn)行熱交換，最終通過(guò)電池艙殼外表面與海水的對(duì)流將熱量導(dǎo)出[2,3]。
1.3 各材料熱物性
電池艙段各組成部分材料及熱物理屬性如表1所示[4]。
表1 電池艙段各組成部分材料熱物理屬性
1.4 對(duì)流換熱系數(shù)
電池艙段唯一的換熱途徑為其外表面與海水的強(qiáng)制對(duì)流換熱，可由下述公式進(jìn)行計(jì)算[5]:
式中，為電池艙段外表面與海水的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K);Nu為努塞爾數(shù)；為海水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，常溫下可取0.6;l為水下航行器電池段總長(zhǎng)，m;Re為雷諾數(shù)；Pr為海水普朗特?cái)?shù)，常溫下可取7;u為水下航行器的航行速度，m/s;v為海水的動(dòng)力粘度，m2/s，常溫下可取1.06×10-6;
2 仿真計(jì)算
將電池模塊艙段熱仿真模型導(dǎo)入Icepak，使用Macros,Polygonal Enclosure命令建立一個(gè)圓柱形空間，該圓柱空間表面由多個(gè)Hollow Block和傾斜的Wall拼成，對(duì)所有Wall施加對(duì)流換熱系數(shù)即可等效電池艙殼外表面與海水的對(duì)流換熱。將航行器相關(guān)值帶入計(jì)算公式，計(jì)算得電池艙段外表面與海水的對(duì)流換熱系數(shù)，這一數(shù)值與水的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值相仿。經(jīng)測(cè)量，該型水下航行器所用的錳酸鋰電池單體穩(wěn)定放電工作時(shí)，其發(fā)熱功率為0.78 W。
3 結(jié)果分析
利用ANSYS Workbench 19.2 Icepak軟件仿真環(huán)境溫度為20攝氏度時(shí)，電池模塊在自然對(duì)流和不同風(fēng)扇功率、不同風(fēng)扇方向、不同電池單體間隙條件下的溫度分布和空氣流速分布。
展開(kāi) 