总复习1大工传热学讲解

1、1 复复 习习 2 考试时间：考试时间：第十七周第十七周 考试周考试周 考试地点：考试地点：待定待定 答疑时间：答疑时间：6 6月月1 14 4日，第十六周日，第十六周 星期五，星期五，9:00-11:30,14:00-16:309:00-11:30,14:00-16:30 答疑地点：答疑地点：综合实验综合实验2 2号楼号楼423423、419A419A。 3 平时成绩平时成绩：2020 期末考试期末考试：8080 4 题型题型 1 1. .简答题简答题 2 2. .证明证明 3 3. .计算题计算题 5 简答：简答： P23 . 1,3,5,6P23 . 1,3,5,6 P88. P88.

2、1,3,41,3,4 P151. 1,2,6P151. 1,2,6 P185. 1,2,6P185. 1,2,6 P224. 1,2,5P224. 1,2,5 P286. 1,4,9P286. 1,4,9 P338. 1,5,8P338. 1,5,8 P387. 1,3,4,6,7,8P387. 1,3,4,6,7,8 P445. 1,4,5,7,8,9P445. 1,4,5,7,8,9 6 证明证明 1.1. 导热问题数学描述导热问题数学描述 2.2. 等截面直肋导热等截面直肋导热 3.3. 集总参数问题数学描述集总参数问题数学描述 4.4. 稳态、非稳态导热节点差分方程式稳态、非稳态导热节

3、点差分方程式 5.5. 对流传热问题能量方程式对流传热问题能量方程式 6.6. 边界层对流传热问题数学描述边界层对流传热问题数学描述 7.7. 相似原理准则关联式相似原理准则关联式 7 1.1. 兰贝特定律兰贝特定律 2.2. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 3.3. 角系数角系数 4.4. 两灰体间辐射换热量两灰体间辐射换热量 b b E I 22 2 2, 1111 1 21 2, 1 111 AXAA EE bb 1 ,222, 11 XAXA 8 第第1 1章章 绪论绪论 1.1. 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 2.2. 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 9 第第1 1章

4、章 绪论绪论 重点掌握重点掌握： 热传导、热对流、热辐射三种热量传递基热传导、热对流、热辐射三种热量传递基 本方式及传热过程的特点。本方式及传热过程的特点。 10 第第2 2章章 稳态热传导稳态热传导 1.1. 导热基本定律导热基本定律 2.2. 导热问题的数学描写导热问题的数学描写 3.3. 典型一维稳态导热问题的分析解典型一维稳态导热问题的分析解 4.4. 肋片肋片 5.5. 有内热源的一维导热有内热源的一维导热 11 第第2 2章章 稳态热传导稳态热传导 o 重点掌握重点掌握： 温度场、温度梯度、热流密度等基本温度场、温度梯度、热流密度等基本 概念；傅里叶定律；不同材料导热系数的概念；傅

5、里叶定律；不同材料导热系数的 量级；直角坐标系下导热微分方程式及其量级；直角坐标系下导热微分方程式及其 推导方法；通过平壁、圆筒壁、肋壁稳态推导方法；通过平壁、圆筒壁、肋壁稳态 导热的计算方法；非稳态导热过程的特点、导热的计算方法；非稳态导热过程的特点、 非稳态导热计算的集总参数法。非稳态导热计算的集总参数法。 12 o 重点掌握重点掌握：非稳态导热过程的特点、：非稳态导热过程的特点、 o 零维问题集中参数法。零维问题集中参数法。 第第3 3章章 非稳态热传导非稳态热传导 13 1.1. 数值求解的基本思想数值求解的基本思想 2.2. 内节点离散方程的建立内节点离散方程的建立 3.3. 边界节

6、点离散方程的建立边界节点离散方程的建立 4.4. 非稳态导热问题数值解非稳态导热问题数值解 第第4 4章章 热传导问题的数值解热传导问题的数值解 14 o 重点掌握：重点掌握： o 列节点差分方程（物理法）列节点差分方程（物理法） 内节点，边界节点内节点，边界节点 第第4 4章章 热传导问题的数值解热传导问题的数值解 15 1.1. 对流传热概述对流传热概述 2.2. 对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述 3.3. 边界层问题的数学描写边界层问题的数学描写 4.4. 外掠等温平板层流换热分析解外掠等温平板层流换热分析解 第第5 5章章 对流换热的理论基础对流换热的理论基础 16 重点掌

7、握：重点掌握： （1 1）对流换热的牛顿冷却公式；）对流换热的牛顿冷却公式； （2 2）边界层的概念与特点及其对求解对）边界层的概念与特点及其对求解对 流换热问题的意义流换热问题的意义 第第5 5章章 对流换热的理论基础对流换热的理论基础 17 1.1. 相似原理及其应用相似原理及其应用 2.2. 单相强制对流换热实验关联式内部、外部单相强制对流换热实验关联式内部、外部 3.3. 自然对流换热大空间自然对流换热大空间 第第6 6章章 单相对流换热的实验关联式单相对流换热的实验关联式 18 重点掌握：重点掌握： （1 1）相似原理的主要内容及相似原理指导下的实）相似原理的主要内容及相似原理指导下

8、的实 验研究方法；验研究方法； （2 2）对流换热特征数）对流换热特征数( (Nu、Re、Pr、Gr) )的表达的表达 式及其物理意义；式及其物理意义； （3 3）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大空间）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大空间 自然对流换热的特点、影响因素，会利用特征自然对流换热的特点、影响因素，会利用特征 数关联式计算上述对流换热问题。数关联式计算上述对流换热问题。 第第6 6章章 单相对流换热的实验关联式单相对流换热的实验关联式 19 重点掌握：重点掌握： 1.1. 凝结传热的模式，影响因素及传热强化凝结传热的模式，影响因素及传热强化 2.2. 沸腾传热的模式，影响因素及传

9、热强化沸腾传热的模式，影响因素及传热强化 第第7 7章章 相变对流换热相变对流换热 20 第8章热辐射基本定律和辐射特性 1.1. 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 2.2. 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 3.3. 实际物体的辐射特性实际物体的辐射特性 4.4. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 21 重点掌握：重点掌握： （1 1）黑体、灰体、吸收比、发射比、透射）黑体、灰体、吸收比、发射比、透射 比、发射率、辐射力、辐射强度、有效辐比、发射率、辐射力、辐射强度、有效辐 射等热辐射的基本概念；射等热辐射的基本概念； （2 2）黑体辐射的基本定律；）黑体辐射的基本定律； （3 3）实际物体的辐

10、射特性，基尔霍夫定律）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律 22 第第9 9章辐射换热的计算章辐射换热的计算 1.1. 角系数角系数 2.2. 两表面封闭系统的辐射传热两表面封闭系统的辐射传热 3.3. 多表面系统的辐射传热多表面系统的辐射传热 4.4. 气体辐射的特点，计算不要求气体辐射的特点，计算不要求 5.5. 辐射传热的控制，遮热板辐射传热的控制，遮热板 23 重点掌握：重点掌握： （1 1）角系数的定义及性质、角系数计算的）角系数的定义及性质、角系数计算的 代数法代数法； （2 2）辐射热阻的概念）辐射热阻的概念，黑体和灰体表面组成黑体和灰体表面组成 的简单封闭空腔内辐射换热的计算方法。

11、的简单封闭空腔内辐射换热的计算方法。 24 第第1010章传热过程分析与换热器章传热过程分析与换热器 1.1.传热过程传热过程 2 2 换热器换热器 3 3 平均温差的计算平均温差的计算 4.4.间壁式换热器的热计算间壁式换热器的热计算 25 重点掌握重点掌握： （1 1）传热过程和传热系数的概念，掌握肋）传热过程和传热系数的概念，掌握肋 壁传热的计算方法，了解传热的强化与削壁传热的计算方法，了解传热的强化与削 弱方法。弱方法。 （2 2）了解换热器的类型与构造，掌握换热）了解换热器的类型与构造，掌握换热 器热计算的对数平均温差法。器热计算的对数平均温差法。 26 三种基本的传热方式：导热、对

12、流和热辐射 导热的基本定律：导热的基本定律：傅里叶定律傅里叶定律 d W d t A x 2 dW dm t q Ax 第第1 1章章 绪论绪论 27 Q 1w t 2w t A 图图1-2 1-2 导热热阻的图示导热热阻的图示 1w t 2w t t 0 x dx dt Q r ttt q ww 21 R t A tt ww 21 r A R 导热热阻导热热阻 单位导热热阻单位导热热阻 要求会用热阻方法求换热量要求会用热阻方法求换热量 28 () W wf hA tt 2 () W m wf qAh tt 对流换热：基本计算公式对流换热：基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式 h 表面传热系数

13、 热流量W，单位时间传递的热量 q 2 W m 热流密度 2 W (mK) A 2 m 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积 w tC 固体壁表面温度固体壁表面温度 f t 流体温度流体温度 C 29 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时 间内所传递的热量 ( () wf hA tt 2 W (mK) 影响影响h h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等因素：流速、流体物性、壁面形状大小等 1 () 1 h h tt h AR tt q hr 表面传热系数表面传热系数 30 1 () h RhAC W 2 1 h rhmC W 对流换热热阻：对流换热热阻： 31 热辐射热辐射

14、 黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： 斯忒藩玻耳兹曼定律斯忒藩玻耳兹曼定律 4 A T 4 A T 真实物体则为：真实物体则为： 32 1-2 1-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数 1 1 传热过程传热过程: :两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热 2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射 图图1 14 4 墙壁的散热墙壁的散热 33 3 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递 图图1 15 5 一维稳态传热过程一维稳态传热过程 忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则 左侧对流换热热阻

15、左侧对流换热热阻 1 1 1 Ah Rh 固体的导热热阻固体的导热热阻 右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻 2 2 1 h R Ah A R 34 上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为： 21 21 21 21 11 )()( AhAAh tt RRR tt ff hh ff tAkttAk ff )( 21 传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺， 不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。 2 W m K 传热系数传热系数 21 21 1 11 1 hh rrr hh k 单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻 35 a.k

16、越大，传热越好。若要增大 k，可增大 12 , , hh或减小 c.c. h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施值的措施 注意：注意： b.b. 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析 法法 36 第二章 稳态导热 o 重点掌握重点掌握： 温度场、温度梯度、热流密度等基本概念；温度场、温度梯度、热流密度等基本概念； 导热傅里叶定律；不同材料导热系数的量级；导热傅里叶定律；不同材料导热系数的量级； 直角坐标系下导热微分方程式及其推导方法；直角坐标系下导热微分方程式及其推导方法； 通过平壁、圆筒壁、肋壁稳态导热的计

17、算方法。通过平壁、圆筒壁、肋壁稳态导热的计算方法。 37 (1).(1).若物性参数若物性参数 、c c 和和 均为常数：均为常数： 222 2 222 (); or vv qqttttt aat xyzcc 2 m sa c 热扩散率 2 拉 普 拉 斯 算 子 直角坐标系下导热微分方程式直角坐标系下导热微分方程式 38 (2).(2).若物性参数为常数且无内热源：若物性参数为常数且无内热源： (3).(3).若物性参数为常数、稳态导热：若物性参数为常数、稳态导热： 222 2 222 (); or ttttt aat xyz 222 2 222 0 ttt t xyz (4).(4).若物

18、性参数为常数、无内热源稳态导热：若物性参数为常数、无内热源稳态导热： 222 222 0 v qttt xyz 39 导热过程的定解条件导热过程的定解条件 使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件 稳态导热问题常见的三类边界条件稳态导热问题常见的三类边界条件 使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件 (1). (1). 第一类边界条件第一类边界条件已知任一瞬间导热体边界上温度值已知任一瞬间导热体边界上温度值 稳态导热：稳态导热： t tw w = = constconst 非稳态导热：非稳态导热：

19、t tw w = f = f ( ( ) ) 40 （2 2）第二类边界条件）第二类边界条件 根据傅里叶定律：根据傅里叶定律： 已知物体边界上已知物体边界上热流密度热流密度的分布及变化规律：的分布及变化规律： 第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界 面法向的温度梯度值面法向的温度梯度值 稳态导热：稳态导热： q qw w 非稳态导热：非稳态导热： ( ,) w s qqfr w qconst() w qf () wn t q n () w n qt n 41 （3 3）第三类边界条件）第三类边界条件 当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知当物体壁面

20、与流体相接触进行对流换热时，已知 任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数 t tf, f, h h q qw w () wf w tnh tt 42 2-3 通过平壁、圆筒壁、球壳和其它 变截面物体的导热 本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平 板和圆柱内的导热。板和圆柱内的导热。 直角坐标系：直角坐标系： z t zy t yx t x t c )()()( 1. 单层平壁的导热单层平壁的导热 o x a 几何条件：单层平板；几何条件：单层平板； b 物理条件：物理条件： 、c、 已知

21、；无内热源已知；无内热源 c 时间条件：时间条件： 0 :t稳态导热 d 边界条件：第一类边界条件：第一类 43 由热阻分析法：由热阻分析法： n i i i n n i i n tt r tt q 1 11 1 11 问：现在已经知道了问：现在已经知道了q q，如何计算其中第，如何计算其中第 i i 层的右侧壁温？层的右侧壁温？ 第一层：第一层： 1 1 1221 1 1 )( qttttq 第二层：第二层： 2 2 2332 2 2 )( qttttq 第第 i 层：层： i i iiii i i qttttq 111) ( 44 下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况下面来看一下

22、圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况 2 12 21 m W )ln(d d rr tt rr t q ww W 2 )ln( 2 21 12 21 R tt l rr tt rlq wwww )ln( )ln( )( 12 1 211 rr rr tttt www rrr tt dr dt ww 1 )ln( 12 21 长度为长度为 l 的圆筒的圆筒 壁的导热热阻壁的导热热阻 虽然是稳态情况，但虽然是稳态情况，但 热流密度热流密度 q 与半径与半径 r 成反比！成反比！ 45 日常生活中的例子 o 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房 间里所穿

23、的衣服能否一样？ o 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中 的感觉不一样。为什么？ 46 第三章非稳态导热 非稳态导热过程非稳态导热过程( (集总参数法集总参数法) )。 重点掌握重点掌握： 47 1 1）毕渥数的定义：）毕渥数的定义：1 h Bi h 毕渥数属特征数（准则数）。毕渥数属特征数（准则数）。 2 2）Bi Bi 物理意义：物理意义： Bi Bi 的大小反映了物体在的大小反映了物体在 非稳态条件下内部温度场的分布规律。非稳态条件下内部温度场的分布规律。 48 Bi 准则对温度分布的影响 t i B i B0 0B i 1 2 2 3 12 12 0 1 0 1 000 0 t

24、t 0 tt 0 tt Bi 准则对无限大平壁温度分布的影响 49 3-2 集总参数法的简化分析 1 定义：定义：忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的 分析方法。此时，分析方法。此时， ，温度分布只与时间有，温度分布只与时间有 关，即关，即 ，与空间位置无关，因此，也称为，与空间位置无关，因此，也称为 零维问题。零维问题。 Bi )(ft 2 温度分布 如图所示，任意形状的物体，参数均 为已知。 0 0tt 时， t 将其突然置于温度恒为将其突然置于温度恒为 的流的流 体中体中。 50 当物体被冷却时（tt）,由能量守恒可知 d dt Vct

25、thA-)( d Vc hAd 方程式改写为：方程式改写为： 过余温度令： tt，则有，则有 00 )0( - tt d d VchA 51 0 0 d Vc hAd Vc hA ln 0 d Vc hAd 积分积分 Vc hA e tt tt 00 其中的指数：其中的指数： vv FoBi AV aAVh cV A A hV cV hA 2 2 2 )( )( 52 %8 .36 1 0 e 即与即与 的量纲相同，当的量纲相同，当 时，则时，则 1 hA Vc 1 Vc hA 此时，此时， 上式表明：当传热时间等于上式表明：当传热时间等于 时，物体的过时，物体的过 余温度已经达到了初始过余温

26、度的余温度已经达到了初始过余温度的36.8。 称称 为时间常数，用为时间常数，用 表示。表示。 hA Vc hA Vc c 53 如果导热体的热容量（ Vc ）小、换热条件好 （h大），那么单位时间所传递的热量大、导热体 的温度变化快，时间常数 ( Vc / hA) 小。 对于测温的热电偶节点，时间常数越小、说明热 电偶对流体温度变化的响应越快。这是测温技术 所需要的 %83. 1 4 0 时，当 hA Vc 工程上认为=4 Vc / hA 时 导热体已达到热平衡状态 54 4 物理意义物理意义 vv FoBi h lhl 1 Bi 物体表面对流换热热阻 物体内部导热热阻 Fo越大，热扰动就能

27、越深入地传播到物体越大，热扰动就能越深入地传播到物体 内部，因而，物体各点地温度就越接近周内部，因而，物体各点地温度就越接近周 围介质的温度。围介质的温度。 22 F l o l a 换热时间 边界热扰动扩散到 面积上所需的时间 55 采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于5% M1 . 0 )AV(h Biv 对厚为2的 无限大平板 对半径为R的 无限长圆柱 对半径为R的 球 3 1 M 2 1 M 1M 3 B B 3 R R4 R 3 4 A V 2 B B 2 R R2 R A V BB A A A V i iv 2 3 i iv 2 iiv 5 集总参数法的应用条件集总参数法的应

28、用条件 56 第四章导热问题的数值解法 能够列出节点差分方程能够列出节点差分方程 57 x y x y n m (m,n) M N 基本概念：控制容积、网格线、节点、界面线、步长基本概念：控制容积、网格线、节点、界面线、步长 二维矩形二维矩形 域内稳态域内稳态 无内热源，无内热源， 常物性的常物性的 导热问题导热问题 58 1.1.边界节点离散方程的建立：边界节点离散方程的建立： qw x y qw (1) 平直边界上的节点平直边界上的节点 2 ,1,1, 1, 2 24 x ttq x tt nmnmnmwnmnm 0 2 22 , ,1,1, , 1 y x y ttx y ttx yq

29、x tt y nm nmnmnmnm w nmnm yx 如图所示如图所示 边界节点边界节点 (m,n) (m,n) 只能只能 代表半个元体，若边界上有向该代表半个元体，若边界上有向该 元体传递的热流密度为元体传递的热流密度为q qw w ，据能，据能 量守恒定律对该元体有：量守恒定律对该元体有： 59 (2) 外部角点外部角点 2 2 2 2 ,1, 1, x q x ttt nmwnmnmnm 0 22 22 22 , ,1, , 1 yx y ttx q x q y x tty nm nmnm w w nmnm yx x y qw 如图所示，二维墙角计算区域中，如图所示，二维墙角计算区域

30、中， 该节点外角点仅代表该节点外角点仅代表 1/4 个以个以 为边长的元体。为边长的元体。xy、 60 (3) 内部角点内部角点 ) 2 2 3 22( 6 1 22 , 11,1, 1, w nmnmnmnmnm q xx ttttt 0 4 3 22 22 , ,1,1, , 1, 1 yx q x y ttx y tt x q y x tty x tt y nm w nmnmnmnm w nmnmnmnm yx x qw 如图所示内部角点代表了如图所示内部角点代表了 3/4 3/4 个元体，在个元体，在 同样的假设条件下有同样的假设条件下有 61 第五章 对流换热 重点掌握：重点掌握：

31、（1 1）对流换热的牛顿冷却公式；）对流换热的牛顿冷却公式； （2 2）边界层的概念与特点及其对求解）边界层的概念与特点及其对求解 对流换热问题的意义；对流换热问题的意义； 62 5-1 对流换热概述 1 1 对流换热的定义和性质对流换热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象热量传递现象 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式 3 对流换热的基本计算式 W )( tthA w 2 mW )( fw tth Aq 牛顿冷却式: 63 4 4 表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热

32、系数） )( ttAh w C)(mW 2 如何确定如何确定h h及增强换热的措施是对流换热及增强换热的措施是对流换热 的核心问题的核心问题 64 5 对流换热的影响因素对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的 结果。其影响因素主要有以下五个方面：结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因流动起因; (2) 流动状态流动状态; (3)流体有无相变流体有无相变; (4)换热表面的几何因素换热表面的几何因素; (5) 流体的热物理性质流体的热物理性质 65 对流换热分类小结 66 层流底层层流底层 缓冲层缓

33、冲层 u 湍流湍流过渡流过渡流层流层流 c x y x 5-3 边界层概念及边界层换热微分方程组边界层概念及边界层换热微分方程组 67 1. 1. 物理现象物理现象 当粘性流体在壁面上流动时，当粘性流体在壁面上流动时， 由于粘性的作用，在贴附于壁面的流体速度由于粘性的作用，在贴附于壁面的流体速度 实际上等于零，在流体力学中称为贴壁处的实际上等于零，在流体力学中称为贴壁处的 无滑移边界条件。无滑移边界条件。 2.2. 实验测定实验测定 若用仪器测出壁面法向（若用仪器测出壁面法向（ 向）的速度分布，如上图所示。在向）的速度分布，如上图所示。在 处，处， ；此后随；此后随 ， 。 经经 过一个薄层后

34、过一个薄层后 接近主流速度。接近主流速度。 0y y 0uyu u 68 3.3. 定义定义 这一薄层称为流动边界层（速度边界这一薄层称为流动边界层（速度边界 层），通常规定：层），通常规定： （主流速度）处的（主流速度）处的 距离距离 为流动边界层厚度，记为为流动边界层厚度，记为 。 0.99uu y 4. 4. 数量级数量级 流动边界层很薄，如空气，以流动边界层很薄，如空气，以 掠过平板，在离前缘掠过平板，在离前缘 处的边界处的边界 层厚度约为层厚度约为 。 16 /um s 1m 5mm 69 3.3. 定义定义 这一薄层称为流动边界层（速度边这一薄层称为流动边界层（速度边 界层），通常

35、规定：界层），通常规定： （主流速度）（主流速度） 处的距离处的距离 为流动边界层厚度，记为为流动边界层厚度，记为 。 0.99uu y 4. 4. 数量级数量级 流动边界层很薄，如空气，以流动边界层很薄，如空气，以 掠过平板，在离前缘掠过平板，在离前缘 处的边处的边 界层厚度约为界层厚度约为 。 16 /um s 1m 5mm 70 热边界层热边界层 y x 等温流动区等温流动区 温度边界层温度边界层 t ,0 w tt ,ut 71 由于速度在壁面法线方向的变化出现了由于速度在壁面法线方向的变化出现了 流动边界层，同样，当流体与壁面之间存在流动边界层，同样，当流体与壁面之间存在 温度差时，

36、将会产生温度差时，将会产生热边界层热边界层，如上图所示如上图所示。 在在 处，流体温度等于壁温处，流体温度等于壁温 ，0y w tt 0 w tt 72 流动边界层的几个重要特性 (1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， L (2) 边界层内存在较大的速度梯度 (3) 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处 仍有层流特征，粘性底层（层流底层） (4) 流场可以划分为边界层区与主流区 边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述 主流区：由理想流体运动微分方程欧拉方程描述 73 第六章第六章 相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析 重点掌握：重点掌握： （1 1）相似原理的主要内容及相似原理

37、指导下的）相似原理的主要内容及相似原理指导下的 实验研究方法；实验研究方法； （2 2）对流换热特征数）对流换热特征数( (NuNu、ReRe、PrPr、GrGr) )的表的表 达式及其物理意义；达式及其物理意义； （3 3）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大 空间自然对流换热的特点、影响因素，会利用空间自然对流换热的特点、影响因素，会利用 特征数关联式计算上述对流换热问题。特征数关联式计算上述对流换热问题。 74 1.相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，研究相似物理现象之间的关系， (1)物理现象相似：物理现象相似：对于同类

38、的物理现象，在相应的时刻与相对于同类的物理现象，在相应的时刻与相 应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。 (2)同类物理现象：同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式用相同形式并具有相同内容的微分方程式 所描写的现象。所描写的现象。 2. 物理现象相似的特性物理现象相似的特性 (1)同名特征数对应相等；同名特征数对应相等； (2)各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对 流换热特征数：流换热特征数： Pr)(Re,fNu 特征数方程：无量特征数方程：无量 纲量之间的函数关纲量

39、之间的函数关 系系 75 同名的已定特征数相等同名的已定特征数相等 单值性条件相似：初始条件、单值性条件相似：初始条件、 边界条件、几何条件、物理条件边界条件、几何条件、物理条件 3. 物理现象相似的条件物理现象相似的条件 76 Nu hd dhudhu dcba 0110 1 1111 Re 2 udud Pr 3 a c p Pr)(Re,fNu 单相、强制 对流 77 使用特征方程时应注意的问题：使用特征方程时应注意的问题： （1 1）特征长度应该按准则式规定的方式选取）特征长度应该按准则式规定的方式选取 o 特征长度：特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；包含在相似特征数中的几何长度

40、； o 如：管内流动换热：取直径如：管内流动换热：取直径 d d o 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：流体在流通截面形状不规则的槽道中流动： 取取当量直径当量直径作为特征尺度：作为特征尺度： 6.2 6.2 相似原理的应用相似原理的应用 78 （2 2）定性温度应按该准则式规定的方式选取）定性温度应按该准则式规定的方式选取 o 定性温度：定性温度：计算流体物性时所采用的温度。计算流体物性时所采用的温度。 o 常用的选取方式有：常用的选取方式有： 通道内部流动取进出口截面的平均值通道内部流动取进出口截面的平均值 外部流动取边界层外的流体温度或去这外部流动取边界层外的流体温度或去这 一温度与

41、壁面温度的平均值。一温度与壁面温度的平均值。 79 （3 3）准则方程不能任意推广到得到该方）准则方程不能任意推广到得到该方 程的实验参数的范围以外程的实验参数的范围以外 o 参数范围主要有：参数范围主要有： 数范围；数范围； 数范围；数范围； 几何参数范围。几何参数范围。 Re Pr 80 2 2 常见无量纲常见无量纲( (准则数准则数) )数的物理意义及表达式数的物理意义及表达式 81 例题 o 已知冷空气温度为0 ，以6m/s的流速平等的吹 过一太阳能集热器表面，该表面尺寸1m*1m，其 中一个边与来流方向垂直。表面平均温度为20 ， 求由于对流散热而散失的热量. o 解：定性温度tm=

42、(0+20)/2=10, o 物性参数0.0251W/(m*K) o 14.16*10-6m2/s o Pr0.705，ReuL/4.237*105 o Nu=0.664Re0.5Pr0.333=384.7 o h=Nu /l=9.66W/(m2k) o Q=Aht=193W 82 第七章第七章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热 o 掌握凝结与沸腾换热的模式掌握凝结与沸腾换热的模式 o 影响凝结与沸腾换热的因素。影响凝结与沸腾换热的因素。 影响凝结换热的因素。影响凝结换热的因素。 1.1. 不凝结气体不凝结气体2. 蒸气流速蒸气流速3. 过热蒸气过热蒸气 4. 4. 液膜过冷度及温度分布的非线性液

43、膜过冷度及温度分布的非线性 5. 5. 管子排数管子排数 6. 6. 管内冷凝管内冷凝 7. 7. 凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状 83 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素 1 不凝结气体对膜状沸腾换热的影响不凝结气体对膜状沸腾换热的影响 2 过冷度过冷度 3 液位高度液位高度4 重力加速度重力加速度5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 84 o 第八章第八章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性 o 重点掌握：重点掌握： （1 1）黑体、灰体、吸收比、发射比、透射比、发射）黑体、灰体、吸收比、发射比、透射比、发射 率、辐射力、辐射强度、有效辐射等热辐射的基率、辐射力、辐射强度、有效辐射等热辐

44、射的基 本概念；本概念； （2 2）黑体辐射的基本定律；）黑体辐射的基本定律； （3 3）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律； 85 辐射力辐射力E E： 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有 波长的能量总和。波长的能量总和。 (W/m2)； 光谱辐射力光谱辐射力E E ： 单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (包含某一给定波长包含某一给定波长) )，物，物 体的单位表面积向半球空间发射的能量。体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)； 热辐射能量的表示方法热辐射能量的表

45、示方法 E、E关系关系:显然，显然， E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系： dEE 0 黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb， 黑体的黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb 86 4 b EET 1 )( 5 1 2 Tc b e c E (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一个定律第一个定律) )： 33 max 2.8976 102.9 10m KT (2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二个定律第二个定律) )： 4 0 )( 5 1 0 1 2 Td e c dEE

46、Tc bb 87 图图7-10 7-10 定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图 3.Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律) cos dd ),(d L A 它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图7- 11，因此，因此， Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。 88 层 次数学表达式成立条件 光谱，定向 光谱，半球 全波段，半球 无条件，为天顶角 漫射表面 与黑体处于热平衡或对漫灰表面 ),(),(TT ),(),(TT )()(TT 4. Kirchhoff 4. Kirc

47、hhoff 定律的定律的 注：注： (1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无 关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面； (2)(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收 辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的 比例。比例。 89 第九章第九章 辐射换热的计算辐射换热的计算 o 重点掌握：重点掌握： 1 1、角系数的定义及性质、角系数计算、角系数的定义及性质、角系数计算 的

48、代数法；的代数法； 2 2、辐射热阻的概念，黑体和灰体表面、辐射热阻的概念，黑体和灰体表面 组成的简单封闭空腔内辐射换热的计组成的简单封闭空腔内辐射换热的计 算方法。算方法。 90 有两个表面，编号为有两个表面，编号为1和和2，其间充满透明介质，则表面，其间充满透明介质，则表面1 对表面对表面2的角系数的角系数X1,2是：表面是：表面1直接投射到表面直接投射到表面2上的能上的能 量，占表面量，占表面1辐射能量的百分比。即辐射能量的百分比。即 图8-1 有效辐射示意图 的有效辐射表面 的投入辐射对表面表面 1 21 2, 1 X 同理，也可以定义表面同理，也可以定义表面2对表面对表面1的角系数。

49、从这个概的角系数。从这个概 念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的，念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的， 即即漫射面、等温、物性均匀漫射面、等温、物性均匀 角系数定义角系数定义 91 o 2. 角系数性质角系数性质 o (1) 相对性相对性 o (2)完整性完整性 1 , 222, 11 XAXA n i in XXXXX 1 , 1, 13 , 12, 11 , 1 1 若表面若表面1 1为非凹表面时，为非凹表面时，X X1,1 1,1 = 0 = 0。 n i i XX 1 2,12,1 (3) (3) 可加性可加性 92 3 角系数的计算方法角系数的计算方法 三个非凹表面

50、组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统 1 321 2, 1 2A AAA X 的断面长度表面 不交叉线之和交叉线之和 1 , 22 )()( Aab bdacadbc X cdab 两个非凹表面及假想面组成的封闭系统两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 93 9-2 9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热 的部分的部分 到达表面到达表面 的热辐射的热辐射 发出表面发出表面 12 21 )( 212, 111 ,2222, 1112, 1 bbbb EEXAXEAXEA 图图8-7 黑体系统的黑体系统的 辐射换热辐射换热 1 黑体表面黑体表面 如图

51、如图8-78-7所示，黑表面所示，黑表面1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为 94 于是有于是有 22 2 2,1111 1 21 2,1 111 AXAA EE bb 图图8-8 8-8 两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统 1 11 1 1 )( 22 1 2, 11 211 2, 1 A A X EEA bb 2 漫灰表面漫灰表面 95 定义系统黑度定义系统黑度( (或称为系统发射率或称为系统发射率) ) 1 1 1 1 1 1 2 1 ,2 1 2,1 XX s 1 11 1 1 )( 22 1 2, 11 211 2, 1 A A X EEA bb )

52、( 212, 112, 1bbs EEXA )( 212,112,1bb EEXA 与黑体辐射换热比较，上式多了一个与黑体辐射换热比较，上式多了一个 ，它是考虑由，它是考虑由 于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。 s 96 三种特殊情形三种特殊情形 (1)(1) 表面表面1 1为凸面或平面，此时，为凸面或平面，此时，X X1,2 1,2 1 1，于是，于是 1 1 1 1 1 1 22 1 2, 1 1 2, 1 A A XX s 1 11 1 22 1 1 A A s (2)(2) 表面积表面积A A1 1比表面积比表面积A A2 2小得多

53、，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0 于是于是 1 s (3)(3) 表面积表面积A A1 1与表面积与表面积A A2 2相当，即相当，即A A1 1/A/A2 2 1 1 于是于是 1 11 1 21 s 97 9-3 9-3 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射换热的计算 要求能够应用网络法进行多表面要求能够应用网络法进行多表面系统辐射换热的计算系统辐射换热的计算 98 网络法的应用举例网络法的应用举例 两漫灰表面组成的封闭系统，参两漫灰表面组成的封闭系统，参 见见图图8-88-8，其等效网络图见，其等效网络图见8-118-11 所示，根据电路中的所示，根据电路中的基尔霍夫定基尔霍夫定 律律流入节