对流传热

对流（或对流传热）是由于流体的运动而将热量从一个地方传递到另一个地方。 尽管经常被讨论为一种独特的传热方法，但对流传热涉及传导（热扩散）和平流（通过整体流体流动进行传热）的组合过程。 对流通常是液体和气体传热的主要形式。

请注意，此对流定义仅适用于传热和热力学环境。 它不应与动态流体现象的对流相混淆，后者在热力学背景下通常被称为自然对流，以区分两者。

可以通过浮力以外的方式（例如，汽车发动机中的水泵）通过流体的运动来强制对流。 流体的热膨胀也可以强制对流。 在其他情况下，当流体被加热时，仅自然浮力就完全负责流体运动，这个过程称为自然对流。 一个例子是烟囱中或任何火周围的气流。 在自然对流中，温度升高会导致密度降低，当不同密度的流体受到重力（或任何 g 力）的影响时，这又会由于压力和力而导致流体运动。 例如，当在炉子上加热水时，锅底的热水被下落的较冷、密度较大的液体取代（或被迫上升）。 加热停止后，这种自然对流的混合和传导最终会导致几乎均匀的密度和均匀的温度。 如果不存在重力（或导致任何类型的 g 力的条件），则不会发生自然对流，并且只有强制对流模式起作用。

对流传热模式包括一种机制。 除了由于特定分子运动（扩散）引起的能量传递外，能量还通过流体的体积或宏观运动传递。 这种运动与这样一个事实有关，即在任何时刻，大量分子都在集体移动或作为聚集体移动。 在存在温度梯度的情况下，这种运动有助于传热。 因为聚集体中的分子保持它们的随机运动，所以总热传递是由于分子的随机运动和流体的整体运动能量传输的叠加。 当提到这种累积传输时，习惯上使用术语对流，而当提到由于整体流体运动引起的传输时，通常使用术语平流。

可以区分两种类型的对流传热：

• 自由或自然对流：流体运动是由浮力引起的，浮力是由于流体中的热±温度变化导致密度变化而产生的。 在没有内部源的情况下，当流体与热表面接触时，其分子分离并分散，导致流体密度降低。 结果，流体被置换，而较冷的流体变得更稠密并且流体下沉。 因此，较热的体积将热量传递给该流体的较冷的体积。 熟悉的例子是火或热物体导致空气向上流动，以及从下方加热的锅中水的循环。
• 强制对流：当流体通过内部源（例如风扇、搅拌和泵）被迫流过表面时，会产生人工诱导的对流。

在许多实际应用中（例如太阳能中央接收器的热损失或光伏面板的冷却），自然对流和强制对流同时发生（混合对流）。

内部和外部流动也可以分类对流。 当流体被固体边界包围时（例如流经管道时），就会发生内部流动。 当流体无限延伸而没有遇到固体表面时，就会发生外部流动。 这两种类型的对流，无论是自然的还是强制的，都可以是内部的或外部的，因为它们彼此独立。 总体温度或平均流体温度是评估与对流传热相关的特性的方便参考点，特别是在与管道和管道中的流动相关的应用中。

可以根据固体表面的光滑度和起伏度进行进一步分类。 并非所有表面都是光滑的，尽管大部分可用信息都涉及光滑表面。 波浪形不规则表面常见于传热设备，包括太阳能集热器、再生热交换器和地下储能系统。 它们在这些应用的传热过程中发挥着重要作用。 由于表面的起伏导致它们增加了复杂性，因此需要通过优雅的简化技术以数学技巧来解决它们。