更新时间：2022-08-25 12:05
自由对流，大气科学领域的名词，又称自由对流换热，简称自然对流，是指参与换热的流体由于自身温度场的不均匀所引起的流动。不均匀温度造成了不均匀密度场，由此产生的浮升力成为流动的动力。自然对流热交换是指由自然对流引起的换热现象。自然对流换热广泛地存在于自然界中，如不用风扇强制冷却的电器元件的散热等。自然对流现象在核电厂等现实生产中广泛存在。
自由对流，亦称“自由对流换热”,简称“自然对流”。由于各部分温度不均匀而形成密度差,从而在重力场或其他力场中产生浮升力所 引起的对流换热现象。 按周围空间 大小的不同,有大空间和有限空间内自然对流换热两类。前者在加热 (或冷却)表面的四周并不存在其他足以阻碍流体流动的物体,流动可充分展开。
由于流体内部温度差引起密度不同而形成浮升力,在此浮升力引发的运动下所产生的换热过程,又称自由运动换热。热力管道、热力设备、锅炉炉体等与周围空气之间的换热都是自然对流换热。它的强度取决于流体沿固体换热表面的流动状态及其发展情况,而这些又与流体流动的空间和换热表面的形状、尺寸、表面与流体之间的温差、流体的种类与物性参数等许多因素有关,是一个受众多因素影响的复杂过程。
引起自然对流的浮升力实际上来自流体的密度梯度以及与该密度梯度成正比的体积力 ( 或称为彻体力 ) 的联合作用。在地球引力场范围内，最普遍存在的体积力是重力。当然还可以是由旋转运动导致的离心力、电磁场中的电磁力等。造成介质密度梯度的原因也有多种，其中最主要的是温度差。
自然对流换热问题常常按流体所处空间的特点分成两大类：如果流体处于相对很大的空间，边界层的发展不受限制和干扰，称为无限空间的自然对流换热；若流体空间相对狭小，边界层无法自由展开，则称为有限空间的自然对流换热。
近年来已经提出了许多数值计算方法 ,用来求解流体流动及对流换热问题。常用的方法有 :有限差分法、有限元法、边界元法、有限分析法。从方法发展与积累的经验、实施的难易及应用的广泛性等方面 ,就目前而言 ,随着计算机的应用 ,有限差分法还是一种通用的方法。有限差分法可以采用不同的差分格式 ,通常选用显格式和隐格式。凯勒单元法实质上也是一种隐格式 ,其主要特点有 :无条件稳定 ,可用变步长网格、二阶精度 ,可取较大的步长值、联立方程求解的程序编制简便 ,但在建立离散方程系数时 ,其运算比较复杂。由于凯勒单元法有其固有特性 ,因此 ,早在 70年代 ,就有许多的研究者将此法用于求解边界层问题。在最近 2 0年中 ,此方法发展已比较成熟。关于采用凯勒单元法求解边界层问题的详细内容见文献,但是他们的兴趣在于强制对流换热 ,而不是自然对流换热。
封闭空间内的自然对流换热是计算流体力学和数值传热学的经典课题之一,在工程领域有着非常广泛的应用,在航空设计、大气科学、建筑设计,电子元件冷却、核反应等方面均涉及到。人们对自然对流换热已经进行了大量的实验和数值研究,D e V ah lD av is G最早发表了封闭方腔自然对流换热问题的基准解,对稳态的有水平热源的自然对流换热进行了计算,瑞利数R a达到106。Le Q uér[é2]继续进行计算,使R a达到了108。B.Calcagn i[3]和M uhamm adA.R.Sharif等分别研究了封闭方腔内的底部加热侧面冷却的自然对流问题,实验和数值分析了热源尺寸对传热的影响。
对于结构热分析来说，主要目的是得到结构上的温度分布，即壁温未知，因此流体温度和壁温的温差 ΔT 也是未知的。在这种情况下，仅从自然对流实验关联式无法计算换热系数。另一方面，ANSYS 稳态热分析将流体温度和换热系数作为结构热分析的边界条件，通过有限元分析可以得到结构的温度场分布。因此本文结合 ANSYS 稳态热分析和自然对流换热实验关联式，提出一种迭代的计算方法，具体描述如下：首先假设一个换热系数试算值，用 ANSYS 稳态热分析计算得到结构的温度场分布，然后根据实际流体温度和有限元计算得到的壁温求得温差，应力用自然对流实验关联式计算该温差下对应的换热系数，继而可用 ANSYS 进行第二次稳态热分析进行迭代分析。如果 ANSYS 稳态热分析前后的换热系数相差不超过 1%，即可认为迭代收敛，得到最终的换热系数。
该方法具有以下优点：（1）通用性强。该方法没有特殊的针对性，因此适用于自然对流引起的换热系数计算；（2）无须建立额外的计算模型。由于结构热分析本身就需要建立热分析有限元模型，因此该方法只需调用模型即可；由于 ANSYS 迭代计算是通过结构热分析进行的，无须建立流体模型。（3）可利用 ANSYS 参数化设计语言(APDL)，通过编程，达到 ANSYS 迭代计算的目的，提高工作效率。