教材层②对流：边界层与相似准则
边界层理论、Re/Pr/Nu/Gr/Ra 准则数、强迫与自然对流关联式、沸腾与凝结相变换热
教材定位：《传热学》第三篇"对流换热"。热阻链末端（散热器→环境）热阻最大、也最值得压——这一篇给出 h 的理论来源。工程对应页：系统级设计。
1. 为什么对流换热必须"借助"导热来定义
对流换热系数 h 无法从第一性原理直接算——壁面附近流体是不流动的，热量穿过这层靠导热：
[ q = h(T_w - T_\infty) = -\lambda_f \left.\frac{dT}{dy}\right|_{w} ]
热边界层由此定义：T 从壁面温度过渡到主流温度的薄层。
串联：这一条直接解释了面试题"什么是热边界层、为什么重要"（热物理基础）——边界层越厚 → 温度梯度越小 → h 越小。所有强化换热手段的本质都是"弄薄边界层"（扰流、开缝翅片、提高流速）。
2. 相似准则数（对流换热的"字母表"）
| 准则数 | 定义 | 物理意义 |
|---|---|---|
| Re = ρvl/μ | 惯性力/粘性力 | 判层流湍流（管内临界 Re≈2300） |
| Pr = ν/α | 动量扩散/热扩散 | 速度边界层 vs 热边界层厚度之比（油 Pr≫1，液态金属 Pr≪1） |
| Nu = hl/λ | 对流/纯导热 | 无量纲换热系数——h 的载体 |
| Gr = gβΔTl³/ν² | 浮升力/粘性力 | 自然对流强度的度量 |
| Ra = Gr·Pr | — | 自然对流的 Re（判流态，临界 ~10⁹ 竖壁） |
串联：面试问"层流与湍流换热本质差异"——答案藏 Nu-Re 关联式的指数里：层流平板 Nu ∝ Re^0.5，湍流 Nu ∝ Re^0.8，湍流的换热随流速增长快得多，代价是压降增长更快（ΔP ∝ v¹·⁷⁵~²）——这是风机工作点权衡的物理根源。
3. 常用关联式（定性记住形式与量级）
- 强迫对流：
- 层流平板：Nu = 0.664·Re^½·Pr^⅓
- 湍流管内（Dittus-Boelter）：Nu = 0.023·Re^0.8·Pr^n（流体被加热 n=0.4）
- 自然对流：Nu = C·(Ra·Pr)^n（竖壁层流 n=¼，湍流 n=⅓）
- 代入典型尺寸和 ΔT 算一遍，就得到 h≈5~25 W/m²K——热物理基础 · Q3 量级题不再靠背
- 串联：h 的三个层次——关联式算（这篇）→ 经验表格查（工程速算）→ CFD 算全场（仿真），精度与成本递增。
4. 相变换热：沸腾与凝结
沸腾：
- 核态沸腾（气泡搅动，h 极高）→ 膜态沸腾（气膜隔热，h 骤降）
- 临界热流密度 CHF：核态→过渡的转折点，超过即"烧毁"——液冷设计红线
- 串联：热管/VC/浸没式液冷的工质选型与功率上限都由沸腾曲线决定（热管干涸极限是同一逻辑的毛细版本）
凝结：
- 膜状凝结（h 较低）vs 珠状凝结（h 高数倍但不稳定）
- 串联：冷凝侧是热管/两相回路的"另一端"——蒸发段吸热、冷凝段放热，两端机理不对称影响整管性能
5. 强化换热四大思路（本章总结，面试"开放题"骨架）
流体力学三大方程（篇4·题34，CFD 的"宪法"）
答：
- 连续性方程：质量守恒——流入 = 流出（∂ρ/∂t + ∇·(ρu) = 0）
- 动量方程（N-S 方程）：动量守恒——惯性力 = 压差力 + 粘性力 + 体积力
- 能量方程：能量守恒——对流携带 + 导热扩散 + 粘性耗散/内热源
串联：CFD 的本质就是数值解这三个方程——加上导热微分方程就是整套求解器。答"流场仿真要做精确需要考虑哪些点"（篇4·题33）：湍流模型选择、近壁面网格（y+）、入口边界真实性、网格无关性、收敛判据——每一条都根植于"方程离散化在哪一步引入误差"（详见仿真排查）。
“强化对流换热"怎么答？（篇4·题40）
答：按本页"强化换热四大思路"作答：提流速（Re↑）→ 破坏边界层 → 扩面积（肋化）→ 换相变工质。能报出 Nu∝Re^0.8 和代价（压降增长更快）就是满分结构。