淺談熱力學(xué)對流系數(shù)與接觸熱阻

1、<p>　　淺談熱力學(xué)對流系數(shù)與接觸熱阻</p><p>　　摘 要：熱流從一個(gè)面流入則會(huì)從另一個(gè)面穿出，凈流體積的熱量等于從一些面元流入面的減去從其它面元流出面的熱量.這里符號規(guī)則規(guī)定熱流流出為正，單位時(shí)間內(nèi)流入小體積元內(nèi)的總熱量和波動(dòng)方程比較，這三類邊界條件雖然是從不同的物理模型中歸結(jié)出來的，具有不同的物理意義，但它們的數(shù)學(xué)形式卻是相同的，由此說明提出這三類邊界條件的普遍意義。 </p>

2、<p>　　關(guān)鍵詞：熱力 對流系數(shù) 接觸熱阻 </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，散熱片可以具有不同的橫截面面積并且可以連接到圓形表面上。在不同的橫截面區(qū)域必須要推導(dǎo)一個(gè)變量，其基本的解決方案是運(yùn)用微分方程和數(shù)學(xué)技術(shù)，然而采用微分方程和數(shù)學(xué)技術(shù)會(huì)變得更加繁瑣，推導(dǎo)出更復(fù)雜的情況從而不利于得出結(jié)果。熱導(dǎo)率的物

3、理意義為：當(dāng)相距單位長度的兩個(gè)平行平面間的溫度相差一個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳導(dǎo)的熱量。對流傳熱系數(shù)是在對流傳熱條件下，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)對流方式從表面S傳出的熱量與溫度差T1-T2和表面積S的比例。 </p><p>　　若要測量良導(dǎo)體樣品，則樣品需做成截面積比較小而傳熱方向上的長度較大的細(xì)長形狀。因?yàn)榱紝?dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，樣品只有做的比較長才能在其兩端產(chǎn)生比較明顯、易于測量的溫差，而做的比較細(xì)是為了盡可能

4、減小側(cè)面散熱的影響。需要熱電偶的冷端保持溫度恒定，實(shí)驗(yàn)中采用冰水混合物來保證熱電偶的冷端保持0℃；需要盡可能減小樣品側(cè)面散熱的影響，因此將樣品做成薄圓盤狀；需要樣品的上、下表面各自溫度均勻且易于測量，實(shí)驗(yàn)中加熱盤和散熱盤均為金屬盤且各自與樣品的上、下表面分別密切接觸；需要易于散熱，實(shí)驗(yàn)中采用風(fēng)扇對散熱盤吹風(fēng)來保證，等等。理論上對環(huán)境溫度是先測量還是后測量都是一樣的，但是從實(shí)際情況分析還是后測量比較準(zhǔn)確，這是從減小實(shí)驗(yàn)誤差的角度考慮的。實(shí)

5、驗(yàn)進(jìn)行前，由于還沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中的散熱也沒有影響，因而實(shí)驗(yàn)前的環(huán)境溫度與實(shí)驗(yàn)后相比必然有一定程度的偏低。而實(shí)驗(yàn)中對散熱過程的測量是在實(shí)驗(yàn)靠后的步驟進(jìn)行的，此時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的散熱必然已經(jīng)使環(huán)境溫度有一定程度的變化，因此最后測量環(huán)境溫度，測得的結(jié)果更接近散熱過程測量所需的環(huán)境溫度。因此，對環(huán)境溫度的測量放在了實(shí)驗(yàn)的最后一步進(jìn)行。 </p><p>　　二、關(guān)于對流系數(shù)的警示性說明 </p><

6、;p>　　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(shí)間單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。表面對流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過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，由于皮膚表面的對流換熱系數(shù)較大，其散熱（或吸熱）量也較大。對流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通常用巴茲公式計(jì)算

7、。 </p><p>　　我們已經(jīng)注意到對流系數(shù)可以與流體的類型有所不同，流速梯度為不同的幾何形狀。正如我們將在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系見到的經(jīng)常有流速的不確定性。對流換熱系數(shù)是求解伴有表面對流換熱的熱傳導(dǎo)問題的重要參數(shù)之一。直接測定對流換熱系數(shù)的方法分為穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法對實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，實(shí)驗(yàn)周期長，誤差大。對流換熱系數(shù)與流體的物理性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)和速度、固體壁面物理性質(zhì)、形狀位置都有關(guān)，比如同樣的流體在紊流和層流時(shí)換熱系

8、數(shù)就不一樣，所以不同情況下對流換熱系數(shù)是不一樣的，書上的一些換熱系數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)方法得到的一些大致范圍，自己隨意輸入一個(gè)換熱系數(shù)是不科學(xué)的，應(yīng)該內(nèi)置計(jì)算公式來根據(jù)具體情況去自動(dòng)求解流體與壁面間的換熱。瞬態(tài)法由于實(shí)驗(yàn)周期短，誤差小，近年來被廣泛運(yùn)用于對流換熱系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，通常所說的瞬態(tài)法是通過瞬時(shí)提高來流溫度或者壁面溫度來達(dá)到溫度階躍，測量窄幅熱色液晶顯色時(shí)間，通過求解一維半無限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程得到測量表面的對流換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中要達(dá)到溫

9、度的階躍通常不容易實(shí)現(xiàn)，只能是近似階躍，需要進(jìn)行逐級階躍或者指數(shù)函數(shù)進(jìn)行修正。這種處理方式可以近似解決入口溫度非階躍響應(yīng)問題。 </p><p><b>　　三、接觸熱阻 </b></p><p>　　當(dāng)熱量流過兩個(gè)相接觸的固體的交界面時(shí)，界面本身對熱流呈現(xiàn)出 明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何外 表上看來接觸良好的兩物體，直接接觸的實(shí)際面積只是

10、交界面的一部分，其余部分都是縫隙。熱量通過充滿空隙的流體的導(dǎo)熱、對流和輻射的方式傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)不及一般的固體材料。接觸熱阻使熱流流過交界面時(shí)，沿?zé)崃鞣较驕囟劝l(fā)生突然下降， 這是工程應(yīng)用中需要盡量避免的現(xiàn)象。 </p><p>　　不同的材料具有不同的熱導(dǎo)率，需要設(shè)置的情況是求解區(qū)域和設(shè)備殼體外表面重合時(shí)，也就是求解區(qū)域剛好包住設(shè)備殼體時(shí)，才需要設(shè)置殼體外表面與周圍環(huán)境的換熱系數(shù)，當(dāng)求解區(qū)域遠(yuǎn)大于設(shè)備殼體

11、外形時(shí)，不需要設(shè)置。對流換熱系數(shù)計(jì)算起來是很復(fù)雜的，它和很多因素有關(guān)系，和接觸面的粗糙度、形狀、大小、布置方式有關(guān)系，和流體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、黏度有關(guān)系， 還和流體的流速有密切聯(lián)系。所以這就導(dǎo)致對流換熱系數(shù)計(jì)算起來極其復(fù)雜，有些情況下準(zhǔn)確的計(jì)算對流換熱系數(shù)甚至是不可能的。不過對于不同的情況會(huì)有一些經(jīng)驗(yàn)公式，如果有興趣的話可以去看看傳熱學(xué)。對于自然對流情況下，空氣的對流換熱系數(shù)在1～10之間，水則在200～1000之間；強(qiáng)制對流情

12、況下，空氣的對流換熱系數(shù)在20～100之間，水則在1000～15000之間。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 蘇汝鏘 《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》 高等教育出版社 </p><p>　　[2] 趙凱華，羅蔚茵 《熱學(xué)》 高等教育出版社 </p><p>　　[3] 楊玉順 《工程熱力學(xué)》