淺談熱力學對流系數(shù)與接觸熱阻

1、<p>　　淺談熱力學對流系數(shù)與接觸熱阻</p><p>　　摘 要：熱流從一個面流入則會從另一個面穿出，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，單位時間內(nèi)流入小體積元內(nèi)的總熱量和波動方程比較，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>　　關鍵詞：熱力 對流系數(shù) 接觸熱阻 </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　在實際應用中，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)域必須要推導一個變量，其基本的解決方案是運用微分方程和數(shù)學技術(shù)，然而采用微分方程和數(shù)學技術(shù)會變得更加繁瑣，推導出更復雜的情況從而不利于得出結(jié)果。熱導率的物

3、理意義為：當相距單位長度的兩個平行平面間的溫度相差一個單位時，在單位時間內(nèi)通過單位面積所傳導的熱量。對流傳熱系數(shù)是在對流傳熱條件下，單位時間內(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長形狀。因為良導體的導熱性能好，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，實驗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，實驗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，實驗中采用風扇對散熱盤吹風來保證，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，但是從實際情況分析還是后測量比較準確，這是從減小實驗誤差的角度考慮的。實

5、驗進行前，由于還沒有進行實驗，實驗過程中的散熱也沒有影響，因而實驗前的環(huán)境溫度與實驗后相比必然有一定程度的偏低。而實驗中對散熱過程的測量是在實驗靠后的步驟進行的，此時實驗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驗的最后一步進行。 </p><p>　　二、關于對流系數(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)驗公式計算，通常用巴茲公式計算

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)驗關系見到的經(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)法對實驗條件要求苛刻，實驗周期長，誤差大。對流換熱系數(shù)與流體的物理性質(zhì)、流動狀態(tài)和速度、固體壁面物理性質(zhì)、形狀位置都有關，比如同樣的流體在紊流和層流時換熱系

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)是通過實驗方法得到的一些大致范圍，自己隨意輸入一個換熱系數(shù)是不科學的，應該內(nèi)置計算公式來根據(jù)具體情況去自動求解流體與壁面間的換熱。瞬態(tài)法由于實驗周期短，誤差小，近年來被廣泛運用于對流換熱系數(shù)測量實驗，通常所說的瞬態(tài)法是通過瞬時提高來流溫度或者壁面溫度來達到溫度階躍，測量窄幅熱色液晶顯色時間，通過求解一維半無限大平板非穩(wěn)態(tài)導熱方程得到測量表面的對流換熱系數(shù)。實驗中要達到溫

9、度的階躍通常不容易實現(xiàn)，只能是近似階躍，需要進行逐級階躍或者指數(shù)函數(shù)進行修正。這種處理方式可以近似解決入口溫度非階躍響應問題。 </p><p><b>　　三、接觸熱阻 </b></p><p>　　當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，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熱、對流和輻射的方式傳遞，而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。接觸熱阻使熱流流過交界面時，沿熱流方向溫度發(fā)生突然下降， 這是工程應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率，需要設置的情況是求解區(qū)域和設備殼體外表面重合時，也就是求解區(qū)域剛好包住設備殼體時，才需要設置殼體外表面與周圍環(huán)境的換熱系數(shù)，當求解區(qū)域遠大于設備殼體

11、外形時，不需要設置。對流換熱系數(shù)計算起來是很復雜的，它和很多因素有關系，和接觸面的粗糙度、形狀、大小、布置方式有關系，和流體的導熱系數(shù)、密度、比熱容、黏度有關系， 還和流體的流速有密切聯(lián)系。所以這就導致對流換熱系數(shù)計算起來極其復雜，有些情況下準確的計算對流換熱系數(shù)甚至是不可能的。不過對于不同的情況會有一些經(jīng)驗公式，如果有興趣的話可以去看看傳熱學。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 </b></p><p>　　[1] 蘇汝鏘 《統(tǒng)計物理學》 高等教育出版社 </p><p>　　[2] 趙凱華，羅蔚茵 《熱學》 高等教育出版社 </p><p>　　[3] 楊玉順 《工程熱力學》