封闭空间的自然对流
理论：被封闭的空气开始流动的条件
概述
我以为中空玻璃的空气层越厚越保温，为什么常见的是12 mm左右？
空气不流动时是很好的保温材料，但空间变厚它就开始流动。暖玻璃一侧受热的空气上升，冷玻璃一侧冷却的空气下降，在空间内形成循环流动，于是热量不仅靠导热，还靠流动传递。空间薄时加厚能增加导热阻力而得益，超过某一厚度后开始对流，得益就被抵消。决定这个分界的就是瑞利数。
瑞利数
$L$ 为相对壁面的间距，$\Delta T$ 为壁面温差。与间距的三次方相关，厚度加倍瑞利数增大8倍。从下方加热的水平空间在约1,708以上开始对流（瑞利-贝纳德对流）。竖直空间在低瑞利数时也有微弱循环，但传热基本等同于导热。
竖直高腔体关联式
$H$ 为腔体高度，高度与间距之比越大，上下端部的相对影响越小。在适用范围外，尤其是瑞利数小于1万时，该式不能用，努塞尔数取约1（仅导热）。
贝纳德的六边形单元
1900年，法国的贝纳德观察到从下方加热的薄油层中排列着整齐的六边形图案（对流单元）。1916年瑞利勋爵从理论上作出解释，指出温差与层厚的组合超过某一值后流动就开始了，这就是瑞利数名称的由来。后来发现贝纳德的图案很多其实是表面张力随温度变化引起的流动（马兰戈尼对流），但两人的名字至今仍作为对流研究的起点并称。
算例：中空玻璃的空气层
高1 m，两片玻璃温差15 K，空气平均温度约10 ℃，求空气层的传热能力（导热与对流，不含辐射）：
| 空气层厚度 | 瑞利数 | 努塞尔数 | 传热能力 | 仅导热时 |
|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 395 | 1.00 | 4.17 W/(m²·K) | 4.17 |
| 12 mm | 3,160 | 1.00 | 2.08 W/(m²·K) | 2.08 |
| 16 mm | 7,500 | 1.13 | 1.76 W/(m²·K) | 1.56 |
| 20 mm | 14,600 | 1.42 | 1.78 W/(m²·K) | 1.25 |
| 30 mm | 49,400 | 2.18 | 1.82 W/(m²·K) | 0.83 |
超过16 mm几乎不再下降。
对。仅导热的话30 mm应降到0.83，但对流开始后又回到1.82。加厚只会让玻璃更重、框更粗。实际产品在12～16 mm左右就是这个原因。另外16 mm附近处于关联式适用范围的边缘，实际值是平滑过渡的，最小值位置最好理解为12～20 mm的范围。温差越大瑞利数越大，最佳厚度会略向薄的一侧偏移。
充氩时
同样16 mm充入氩气，因导热系数小，传热能力从1.76降到1.31 W/(m²·K)。但就整窗而言，玻璃之间的辐射也要传递每m²几W/(m²·K)的热量，只有在玻璃表面加上抑制辐射的膜（Low-E膜）后，气体的差别才会显著起作用。
分析方法
CFD注意事项
- 近壁网格：壁面附近形成薄的温度和速度边界层，要在壁面法向加密。
- 别忘了辐射：空气腔中辐射与导热、对流相当或更大。
- 可能是非稳态：瑞利数大时流动会周期性振荡；稳态计算不收敛时改用非稳态并取平均。
- 端部条件：上下端和窗框的散热方式会大大改变角部温度，结露判定时尤为重要。
“机箱内部比想象的热”
对密封电子设备机箱，只按与箱外空气的温差估算电路板温度，结果往往偏低。箱内空气靠封闭空间自然对流循环，但流动很弱，热空气积聚在上部，放在箱体上部的元件比下部元件高10 K以上并不少见。分析时要求解箱内空气流动，并按元件布置确认上下温差。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 以为越厚越保温 | 对策无效 | 按瑞利数判断 |
| 超出范围使用关联式 | 传热出错 | 确认适用范围 |
| 不计辐射 | 严重低估热损失 | 同时求解辐射 |
| 稳态计算忽略振荡 | 不收敛、数值波动 | 非稳态取平均 |
| 假设箱内空气均匀 | 低估上部元件 | 求解内部流动 |
我想自己试试自然对流的计算。