自然對流換熱

自然對流亦有層流和湍流之分。以貼近一塊熱豎壁的自然對流為例來作分析，其自下而上的流動景象如圖1所示。

在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規則的層流；若壁面足夠高，則上部流動會轉變為湍流。

不同的流動狀態對換熱具有決定性影響。

層流時，換熱熱阻完全取決於薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨着高度的增加，層流薄層的厚度也逐漸增加。與此相對應，局部表面傳熱係數也隨高度增加而減小。如果壁面足夠高，流體的流動將逐漸轉變為湍流。湍流時換熱規律有所變化。研究表明，旺盛湍流時的局部表面傳熱係數幾乎是個常量。 ^[1] 

自然對流換熱分為大空間自然對流換熱和有限空間自然對流換熱兩類。流體在大空間作自然對流時，流體的冷卻過程與加熱過程互不影響。這類問題比較簡單，但總結出的關聯式卻具有很大的實用意義，它可以應用到比形式上的大空間更廣的範圍。因為在許多實際問題中，雖然空間不大，但熱邊界層並不相互於擾，因而可以應用大空間自然對流換熱的規律計算。換句話説，就是可以把它當作大空間問題來處理。

所謂大空間，實際上只要邊界層不受干擾就可以適用，不必拘泥於幾何形式上的很大或無限大。 ^[2] 

由於流體內部温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、表面與流體之間的温差、流體的種類與物性參數等許多因素有關，是一個受眾多因素影響的複雜過程。

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、實施的難易及應用的廣泛性等方面，就目前而言，隨着計算機的應用，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，可用變步長網格、二階精度，可取較大的步長值、聯立方程求解的程序編制簡便，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20世紀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20年中，此方法發展已比較成熟。