计算平板和波纹板的传热系数

在许多涉及共轭传热的工程应用中，例如设计热交换器和散热器，计算传热系数很重要。通常在相关性和经验关系的帮助下确定的传热系数提供了有关固体和流体之间传热的信息。在这篇博客文章中，我们讨论并演示了如何使用ComsolMultiphysics®软件来评估板几何形状的传​​188金宝搏优惠热系数。

什么是传热系数？

让我们考虑流体流动的加热壁或表面。流体中的传热主要由对流控制。同样，在两种流体（通过固体表面）（例如使用热交换器）的情况下，对流是热传输的主要模式。两种情况下进行传热的速率均由温度差和称为The的比例系数。传热系数。传热系数指示通过表面和流体之间的域的热传输速率的有效性。

数学上，H是在壁和壁之间的温度差与壁之间的温度差之比；IE。，

（1）

在哪里q^{\ prime \ prime}是热通量，T_W是壁温，以及T_ \ Infty是特征流体温度。

特征流体温度也可以是远离壁或管中的散装温度的外部温度。

当物体被无限量的空气包围时，我们假设远离物体的空气温度是一个常数，已知的值。在这种情况下评估的传热系数称为外部传热系数。

在上述假设的情况下，如果我们仔细观察墙壁（如果墙壁的厚度在横跨的情况下定义y方向和y= 0代表墙壁的表面/平面），很明显，墙壁处的无滑条件会导致形成停滞的流体薄膜。因此，通过紧邻壁的流体传热纯粹是由于传导而发生的。

这可以数学上写（参考。1） 作为：

（2）

这里，k是流体的导热率，t在流体中评估衍生物。

组合方程（1） 和 （2），可以计算传热系数为：

（3）

计算ComsolMultiphysics®中的传热系数188金宝搏优惠

实际上，很难测量墙壁的温度梯度。此外，要分析一种理解墙壁传热的智能和计算廉价的方法至关重要。因此，通常优选计算传热系数的非分析方法。

一种常见的方法是使用由无量纲的努塞尔特数字定义的对流相关性。这些相关性可用于各种情况，包括自然和强迫对流以及内部和外部流，并给出快速的结果。但是，这种方法只能用于常规几何形状，例如水平和垂直壁，圆柱和球体。

当涉及复杂形状时，可以通过模拟共轭传热现象来计算传热系数。

现在让我们讨论两种不同的案例和方法：

1. 使用：
   • 共轭传热分析
   • 对流相关性；即，不考虑流动
2. 计算不规则/复杂几何形状中的传热系数（如瓦楞纸板）

请注意，流动状态是一个重要的考虑因素，因为传热系数取决于速度。在这两种情况下，都需要考虑一种务实的条件，例如鼓风机系统中的快速流量或电子芯片冷却装置。这表明有必要将案例建模为湍流与热传输相结合。

示例1：强制对流并流过水平板

让我们考虑一下对流过水平平板的流程进行建模长度为5 m，其持续且均匀的热通量为10 W/m²。将板放在气流中，平均速度为0.5 m/s，温度为283K。下图显示了问题定义的示意图，包括动量内部层流的速度和温度曲线（例如，例如\三角洲）和热边界层（\ delta {t}）， 分别。

层流（顶部）和湍流（底部）的示意图经过水平板。

共轭传热分析

数值解决方案是在Comsol多物理学中通过使用的188金宝搏优惠共轭传热界面，将流体流和传热现象融合在一起。速度场和压力是在空气域中计算的，而温度是在板和空气域中计算的。

板和流体内部的温度分布如下图所示。在流体结构域内形成的热和动量边界层可以在板上上方的壁到2 cm的区域中看到。

温度分布（表面图），等温线在11°C（红线）和速度场（箭头）说明了板表面旁边的热和动量边界层（各向异性轴刻度）。

从仿真结果可以使用相应的预定义后处理变量评估热通量。除以温温差（t_w-t_ \ infty）给出传热系数（等式。3）。在以下部分的图上绘制了使用共轭传热分析获得的沿板的传热系数。

基于Nusselt的数量相关性的传热系数

文献中有一个平板的强迫对流的努塞尔特数量相关性（参考。1， 例如）。

在第二种方法中，在不求解流量的情况下解决了相同的模型。也就是说，使用传热相关性。计算域仅限于固体（板）。从热板到冷液的热量损失是使用A定义的热通量边界条件。该边界条件包含一种使用预定义的Nusselt数量相关性来定义传热系数的选项，如下所示。请注意，此相关性是在COMSOL多物理学中预定的。188金宝搏优惠

设置热通量边界条件。

仅使用此方法，计算板中的温度分布。从在此处定义的传热系数热通量边界条件，可以评估板表面的热通量，q = h \ cdot（t_ \ infty-t）。

评估传热系数

对于上述两种方法，都可以评估沿板的传热系数。下图比较了使用两种方法估计的热通量。

使用共轭传热模拟（蓝线）和Nusselt相关性（绿线）估计的沿平板的传热系数进行比较。

我们可以看到，从努塞尔特数量相关性获得的值与从完整的共轭传热模拟获得的值密切一致。

一定数量的兴趣是在两种情况下获得的板上的热率：

1. Nusselt编号相关：50 W/m
2. 共轭传热：49.884 W/m

对于某些计算，基于Nusselt数量相关性的方法能够以足够的精度预测热通量。接下来，我们检查具有不常见形状的案例，其中Nusselt数字相关性不易可用，唯一可能的方法是运行共轭传热模拟。

示例2：经过波纹水平板

让我们考虑与第一种情况类似的配置，除了板具有波纹状的顶部表面。下图显示了问题定义的示意图。在此模型中，在几何学的一个部分中考虑了顶板的波纹。盘子的其余部分是平坦的。

流的示意图经过水平板。

在这里，靠近墙壁的流场具有循环区域，可提高传热速度。在下图中，我们可以看到温度分布和速度流线。

温度分布在摄氏度（表面）和速度场（流线）中。

下面的左图显示了沿瓦楞纸板的长度的传热系数。使用像波浪板的几何形状，传热系数取决于温度场。速度场；和波纹的几何参数，例如高度。因此，与平板相比，我们可以观察到增强的传热系数（下图）。

沿瓦楞纸板（左）和平板（右）的传热系数。

同时考虑包含波纹表面的复杂几何形状，但共轭传热方法在计算上可能很昂贵，并且需要替代方法。一个良好的近似值是通过表示从瓦楞纸板的这种几何形状来表示表面，并推断传热系数来降低几何复杂性，考虑到几何参数，例如波纹高度，流速速度场和表面上的温度变化。有趣的是，如果温度不是真正的等温或没有恒定的热通量，则传热系数在某些几何形状的给定范围内仍然是感兴趣的，直到维持初始配置的接近性为止。

为了检查，我们可以考虑一种简单的情况，即在瓦楞纸板几何形状的速度场上计算传热系数。数据可用于获得平均传热系数，并可以推断到平板几何模型。可以研究表面的总热量损失或从流量模拟获得的传热系数，以了解近似值的有效性。

总结思想

在这篇博客文章中，我们讨论了如何使用两种方法计算传热系数。使用共轭传热溶液，您可以使用Comsol多物理学中可用的内置热通量变量。188金宝搏优惠使用热通量边界条件具有Nusselt数字相关性，您可以模拟涉及简单形状的问题。我们还讨论了如何降低几何复杂度以获得复杂几何形状的传​​热系数。

下一步

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尝试以下教程中讨论的方法：

• 真空瓶的自然对流冷却
• 非等温湍流在平板上流过
• 圆管中的非等热层流流

参考

1. A. Bejan等人，传热手册，John Wiley＆Sons，2003年。