2 對(duì)流熱交換
2.1 牛頓冷卻定律和對(duì)流熱阻
[Joule/s = Watt] Convective heat flux, Power
TP [K or °C] Temperature of plate
Ta [K or °C] Ambient temperature
? or h [W/(m²*K)] Heat exchange coefficient
牛頓冷卻定律表明：由平面進(jìn)入到空氣中的熱量與溫差和面積成線性關(guān)系。
這個(gè)比例系數(shù) 稱為熱交換系數(shù)。 不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著對(duì)流的類型（強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流）、空氣流速以及特征尺寸變化的。上式描述了板子在獲取熱量和散去熱量之間的熱量平衡。如果板子獲得的熱量為 ，則我們可以通過上式來估計(jì)板子的平均溫度為：
如果板子的六個(gè)面有不同的 值，則：
對(duì)于自然對(duì)流的情況， 值大約在5－10 ，在強(qiáng)迫對(duì)流情況中， 隨著冷卻空氣的流速變化。
實(shí)例：具有10W熱功耗的歐洲標(biāo)準(zhǔn)板子（ ）在自然對(duì)流情況下的平均溫度為多少？我們假定熱功耗的散失是在板子上平均分布的。我們采用 。PCB板的前后兩面作為散熱區(qū)域。
注意：在Flotherm中，熱交換系數(shù) 不需要輸入，這個(gè)值軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算。
2.2 Nusselt數(shù)和平板對(duì)流
文獻(xiàn)：
M. Wutz (1991): Wärmeabfuhr in der Elektronik, Vieweg Verlag
W. Wagner (1998): Wärmeübertragung. Vogel Verlag (Kamprath-Reihe)
VDI Wärmeatlas …
Incoprera ….
通常情況下Flotherm用戶不需要擔(dān)心熱交換系數(shù) 。但以下所述的內(nèi)容有助于驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。可以采用努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)則數(shù)來估計(jì)熱交換系數(shù) 。從而產(chǎn)生了相應(yīng)的公式和圖表來揭示哪些因素會(huì)促使熱量的傳遞。
努塞爾（Nusselt）數(shù)是一個(gè)無量綱的準(zhǔn)則數(shù)，并且由熱交換系數(shù) 、幾何特征長度 和流體的熱導(dǎo)率 確定。
其中 稱為特征長度，與雷諾（Reynolds）數(shù)或格拉曉夫（Grashof）數(shù)中的 定義相類似。如果我們知道了努塞爾（Nusselt）數(shù)，就可以由下式得到熱交換系數(shù) 。
其中 稱為特征長度，與雷諾（Reynolds）數(shù)或格拉曉夫（Grashof）數(shù)中的 定義相類似。 是流體的熱導(dǎo)率。
建議：在采用努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)注意其適用的范圍。
2.2.1 強(qiáng)迫對(duì)流
雷諾（Reynolds）數(shù)的定義為：
其中 是流體的特征流速， 是特征長度， 是流體的運(yùn)動(dòng)粘度（空氣： ）
流體以均勻的流速 掠過某一平板，則 并且 是沿著平板流動(dòng)方向的長度。所以當(dāng)空氣沿著平板的長邊流動(dòng)與沿著平板短邊流動(dòng)時(shí)，兩者的雷諾（Reynolds）數(shù)可能不同。
2.2.2 外掠平板層流換熱
只要 ，就認(rèn)為流動(dòng)處于層流狀態(tài)：
對(duì)于空氣和所有理想氣體而言，其普朗特（Prandtl）數(shù) ，對(duì)于水 ，所以對(duì)于空氣可以得到：
2.2.3 外掠平板湍流換熱
2.2.4 自然對(duì)流層流狀態(tài)下的平板換熱
在自然對(duì)流情況下浮升力會(huì)促使流體（通常是空氣）流動(dòng)。這個(gè)無量綱的控制變量是格拉曉夫（Grashof）數(shù)。如果我們假定一塊高為 的垂直放置，流體流動(dòng)的距離為板的高度 ，也就是 ， 定義為：
稱為瑞利（Rayleigh）數(shù)， ，對(duì)于處于空氣中的平板，上式可以轉(zhuǎn)化為：
其它準(zhǔn)則數(shù)可以參考相關(guān)的文獻(xiàn)。使用準(zhǔn)則數(shù)時(shí)首先判斷問題是常壁溫還是常熱流。這兩者是不一樣的。
2.2.5 自然對(duì)流湍流狀態(tài)下的平板換熱
什么時(shí)候才是自然對(duì)流湍流狀態(tài)下的平板換熱？？
當(dāng) 。對(duì)于平板意味著 。
2.2.6 自然對(duì)流情況下的流動(dòng)狀態(tài)
在平板表面的邊界條件是速度 ，在距平板一段距離處空氣流速達(dá)到最大。
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