热分析 — 自然对流 — 文章目录
自然对流是仅由温差引起的密度差驱动的流动。它是无风扇设备的散热、室内热环境、电力设备冷却等“安静而可靠的冷却”背后的物理；由于驱动力弱，对形状、姿态和间隙尺寸的敏感度比强制对流高，这是它的特点。在CFD中，浮力项的处理（Boussinesq近似的适用限度）以及层流-湍流转捩的判定是精度的关键。
《格拉晓夫数与瑞利数》整理了表示自然对流强弱的无量纲数，以及竖直平板、水平圆柱、封闭空间的标准关联式（Churchill-Chu等）。《瑞利-贝纳尔对流》是经典问题：下表面加热的流体层一旦超过临界瑞利数（Ra≈1708），对流胞就会自发形成，文中从不稳定性理论和CFD验证基准两方面进行讲解。
收录文章
- 浮力驱动流动的CFD仿真
系统讲解浮力驱动流动的CFD仿真理论与数值方法，涵盖Boussinesq近似、Gr与Ra无量纲数、控制方程、Nu关联式、湍流过渡阈值及压力速度耦合等自然循环建模要点。 - 混合对流（复合对流） — Richardson数流领域判定
混合对流（复合对流）的流领域判定Richardson数解说。强制对流自然对流的相互作用、数值计算方法、实务适用网罗。CAE分析热流体仿真对应。 - 圆柱的自然对流
用 Churchill–Chu 关联式和辐射贡献讲解水平圆柱周围的自然对流。算例包括热水管每米散热量、保温材料的效果、电线包覆反而增加散热的临界半径，并总结用CFD求解时计算域、网格和湍流的注意事项。 - 封闭空间的自然对流
用瑞利数和竖直高腔体关联式讲解封闭空间内的自然对流。高1 m、温差15 K的中空玻璃，空气层加厚时导热减少但开始对流，空气层传热能力在约16 mm处最小（1.76 W/(m²·K)）；并总结充氩效果和分析注意事项。 - 格拉晓夫数与瑞利数
通过比较空气、水和机油讲解表示自然对流强度的格拉晓夫数和瑞利数的意义。高0.1 m、温差20 K的平板，换热系数空气约5、机油约73、水约785 W/(m²·K)；机油格拉晓夫数小而瑞利数大； - Horizontal Plate Natural
详解水平平板自然对流换热，剖析上表面与下表面流动结构的决定性差异、Rayleigh数与Nu关联式、特性长度定义及电子设备散热应用，助力准确预测平板自然对流性能。 - 瑞利-贝纳尔对流
讲解下方加热流体层中的瑞利-贝纳尔对流：瑞利数及其临界值1708、滚动单元波长、空气层努塞尔数关联式，并用算例说明空气层厚度与热流的关系，总结在CFD中正确再现对流起始的要点。 - 球体自然对流
用Churchill公式计算球体自然对流。直径10 mm、300℃钢球在静止空气中换热系数21 W/m²K，仅靠自然对流冷却到50℃需818秒，计入辐射（发射率0.8）为561秒，是5 m/s送风（158秒）的3.5倍。 - 竖直通道自然对流
用Bar-Cohen与Rohsenow公式计算相对竖直平板之间的自然对流，并优化自然冷却散热器的翅片间距。高100 mm、温差40 K时，最佳间距为6.6 mm（公式预测6.5 mm），散热量28.9 W。 - 竖直平板的自然对流
用瑞利数和Churchill–Chu关联式讲解竖直平板周围的自然对流。算例表明在空气中高0.05～1 m、温差10～60 K时换热系数只有约3～8 W/(m²·K)，辐射贡献与之相当，并给出转捩为湍流的高度，