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内部强制对流传热

/internal forced convection heat transfer/
条目作者沈胜强

沈胜强

最后更新 2022-12-23
浏览 136
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管、槽等通道内流体在泵、吸力等其他外力驱动下流动,通道内流体与壁面以对流方式进行的热交换过程。

英文名称
internal forced convection heat transfer
所属学科
工程热物理及动力工程

外部强制对流传热属于对流传热的一种,在工业设备和系统中非常普遍,例如锅炉水冷壁、管束传热器、微电子冷却系统等。与外部强制对流不同,内部强制对流中传热壁面上边界层的发展受到管槽流道壁面的限制,因此传热规律明显不同于外部流动。管槽内流动存在两个明显的流动区段,即流动入口段(或发展段)和充分发展段。在流体流入管内与管壁面接触时,由于流体黏性力的作用,在近壁面附近会形成流动边界层。随着流体逐步向管内深入,边界层的厚度也会逐步增大;当边界层的厚度等于管子半径时,边界层在管子中心处汇合,此时管内流动成为定型流动,流动进入充分发展段。与流动相类似,管槽内流体温度从近壁面附近至中心处也存在一个发展过程,当热边界层在管子中心汇合时,传热进入充分发展区,传热强度不再发生变化。

按照流体在管槽内有无相变发生,内部强制对流传热可分为单相对流传热和相变对流传热,后者包括由液相转化为气相的管内流动沸腾传热和由气相转变为液相的管内凝结传热。内部单相流动按流态可分为层流和湍流,通常认为,在平直通道内两者的临界雷诺数为2300。雷诺数小于2300时为层流,大于10000时为旺盛湍流,介于2300和10000之间时为流态过渡区。与内部单相对流传热不同,流型在相变对流传热中起着非常关键的作用,直接决定强制对流传热的计算依据,工程中主要依靠流型图来确定。按照管内蒸气与液体所占不同份额及不同分布特征,管内气-液两相流型主要有分散型流型,包括泡状流和雾状流;间断型流型,包括弹状流、塞状流和搅拌流;分离型流型,包括层状流、波状流和环状流。内流道中不同流型有其独特的传热机理,流型的变化将引起流动阻力、流体不稳定性及临界热流密度的改变。在内部强制对流传热工程应用中,除了计算传热系数,另外一个主要任务就是确定管内流动阻力。

20世纪80年代发展起来的微机电系统及微电子高热流密度散热问题催生出了一种微尺度内部强制对流传热,主要指管槽的水力直径在1~1000微米的对流传热。在这样的微尺度通道内,流体的运动与热交换过程出现了许多与常规尺度通道不同的特点,统称为尺度效应。鉴于高热流散热问题在微电子系统、航空航天电子系统、核聚变反应堆、激光、粒子加速器等高精尖技术和设备中日益严峻,关于微通道内流体强制对流传热已经成为传热领域一个非常重要的前沿分支。

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