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| SolidWorks对流分析 |
对流
对流是热量在固体表面和附近移动的流体（或气体）之间传送的传热模式。对流有两个要素：
? 由于随机分子运动（扩散）所引起的能量传送，以及
? 流体的整体或宏观运动（平流）所引起的能量传送
对流机制可以解释为如下：当较热表面附近的流体层变得更热时，其密度会降低（在常压下，密度与温度成反比）而变轻。表面附近的较冷（较重）流体将代替较热流体，循环模式形成。
温度为 Tf 的流体和温度为 Ts、面积为 A 的实体表面之间的热交换速率遵循牛顿冷却定律，可以写作：
Q对流 = h A (Ts - Tf)
其中 h 是对流传热系数。h 的单位是 W/m2.K 或 Btu/s.in2.F。对流传热系数 (h) 取决于流体运动、几何形状以及热力学和物理属性。
一般来说，有两种模式的对流传热：
自然（自由）对流
固体表面附近的流体运动是由浮力造成的，而浮力是由于固体和流体之间的温差而导致的流体密度变化所引起的。将热板放在空气中冷却时，板表面附近的空气微粒变得较热，密度降低，因此会向上移动。
强迫对流
外部方式（如风扇或泵）用来加速流体在固体表面的流动。流体微粒在固体表面的快速运动使温度梯度最大化，并增加了热交换速率。在下图中，在热盘上强迫扩散空气。
对流传热系数
牛顿冷却定律提出：热量离开温度为 Ts 的表面进入温度为 Tf 的周围流体的传热速率由以下方程式计算：
Q对流 = h A (Ts - Tf)
其中传热系数 h 的单位是 W/m2.K 或 Btu/s.in2.F。系数 h 不是一种热力学属性。它是流体状态和流动条件的简化关系，因此，通常称之为流动属性。
对流与边界层的概念相关，边界层是在一个假想的靠近静止分子的表面与周围环境中流体的流动之间的一个薄过渡层。这显示在下图流过平板的流动中。
其中 u(x,y) 是 x 方向的速度。一直到流体层外边线的区域（定义为自由气流速度的 99%）称为流体边界层厚度 ?(x)。
类似的草图可以由表面温度到周围温度的温度过渡来构成。温度变化的图解如下图中所示。请注意，热边界层厚度不一定与流体的边界层厚度相同。构成 Prandtl 数 控制两种边界层的相对大小。Prandtl 数 (Pr) 为 1 将隐含两种边界层的行为相同。
通过边界层传热的实际机制被认为是通过墙壁附近的静止流体在 y 方向上的传导，它等于从边界层到流体的对流速率。这可以写成：
h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s
因此，给定情况的对流系数可以通过以下方式计算：测量传热速率和温差，或者测量表面附近的温度梯度和温差。
测量边界层上的温度梯度需要高精确度，一般在算例实验室中完成。许多手册包含不同配置的对流传热系数的表列值。
下表列出了对流传热系数的一些典型值：
介质 传热系数 h (W/m2.K)
空气（自然对流） 5-25
空气/过热蒸汽（强迫对流） 20-300
油（强迫对流） 60-1800
水（强迫对流） 300-6000
水（沸腾） 3000-60,000
蒸汽（冷凝） 6000-120,000
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