01第一讲传热基本概念和定律

1、2021-11-14火箭发动机传热学火箭发动机传热学rocket heat transfer学学 分：分： 2教教 师：师： 陈陈 雄雄职职 称：称： 讲讲 师师联系方法：联系方法： 843154562021-11-14学习内容安排学习内容安排l 第一讲第一讲 传热基本概念和定律传热基本概念和定律l 第二讲第二讲 导热基本定律及稳态导热导热基本定律及稳态导热l 第三讲第三讲 非稳态导热非稳态导热l 第四讲第四讲 对流换热对流换热l 第五讲第五讲 辐射换热辐射换热l 第六讲第六讲 固体火箭发动机中的传热基本知识固体火箭发动机中的传热基本知识l 第七讲第七讲 固体火箭发动

2、机中的热传导固体火箭发动机中的热传导 l 第八讲第八讲 固体火箭发动机中的对流换热固体火箭发动机中的对流换热l 第九讲第九讲 固体火箭发动机中的辐射换热与复合换热固体火箭发动机中的辐射换热与复合换热l 第十讲第十讲 固体火箭发动机燃烧室的热防护固体火箭发动机燃烧室的热防护l 第十一讲第十一讲 固体火箭发动机喷管的热防护固体火箭发动机喷管的热防护l 第十二讲第十二讲 数值传热学概述数值传热学概述2021-11-14参参 考考 书书l 教教 材：材：固体火箭发动机传热学固体火箭发动机传热学郑亚等编著郑亚等编著l 辅助教材：辅助教材：传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版杨世铭、陶文铨编著，第三版

3、l 数值传热学数值传热学 陶文铨编著陶文铨编著l heat transfer (2nd edition), by anthony f. millsl heat transfer , by j.p.holman2021-11-14考考 核核 方方 法法l 平时成绩平时成绩: 30% (包括：出勤及小测验包括：出勤及小测验)l 期末考试期末考试: 70%2021-11-14第一讲第一讲 传热基本概念传热基本概念 和定律和定律 2021-11-14 (1) (1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法机理、规律、计

4、算和测试方法 (2) (2) 热量传递过程的推动力：热量传递过程的推动力：温差温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给 低温热源低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量温差是热量 传递的推动力传递的推动力 1 概概 述述1.1 传热学（heat transfer）2021-11-141.2 传热学与工程热力学的关系(1) 热力学热力学 + 传热学传热学 = 热科学热科学(thermal science) 系统从一个平衡态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。 关心的是热量传

5、关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。热力学：热力学： 热传递过程总的热量，以及热传递过程总的热量，以及各稳定状态的状态参数，时间可能是无限的各稳定状态的状态参数，时间可能是无限的传热学：传热学： 热传递过程的瞬态热传递过程的瞬态 或非稳定情况或非稳定情况tm)(),(fzyxt(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始始终从高温热源向低温热院传递终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，如果没有能量形式的转化，则则 始终是守恒的始终是守恒的水，m220oc铁块, m1300oc图1-1 传热学与热

6、力学的区别2021-11-141.3 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？觉不一样。为什么？c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？如何解释其道理？越厚越好？(1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬冬天都保持天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所

7、穿度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？的衣服能否一样？为什么？2021-11-14(2) (2) 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用a a 航空航天：航空航天：u高温叶片气膜冷却与发汗冷却高温叶片气膜冷却与发汗冷却u火箭推力室的再生冷却与发汗冷却火箭推力室的再生冷却与发汗冷却u卫星与空间站热控制卫星与空间站热控制u空间飞行器重返大气层冷却空间飞行器重返大气层冷却u超高音速飞行器（超高音速飞行器（ma=10ma=10）冷却）冷却u核热火箭、电火箭核热火箭、电火箭u微型火箭（电火箭、化学火箭）微型火箭（电火箭、化学火箭）u太阳能高空无人飞机太阳能高空无人飞机2

8、021-11-14b 微机电系统（微机电系统（mems） ： 电子芯片冷却电子芯片冷却c 生物医学：生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存官的冷冻保存d 军军 事：事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制制 冷：冷：跨临界二氧化碳汽车空调跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵热泵；高温水源热泵f 新新 能能 源：源：太阳能；燃料电池太阳能；燃料电池2021-11-142021-11-14冷却技术失效时冷却技术失效时2021-11-14哥伦比亚航天飞机解体（哥伦比亚航天飞机解体（shuttle columbia）

9、feb. 1st, 2003（sts-107 mission ）2021-11-14大推力液氢液氧火箭发动机推力室发汗冷却大推力液氢液氧火箭发动机推力室发汗冷却2021-11-14再生冷却的火箭发动机再生冷却的火箭发动机2021-11-14电阻电火箭电阻电火箭2021-11-142021-11-14电阻电热推进器电阻电热推进器两层结构的、具有菱形立柱状加热器的新两层结构的、具有菱形立柱状加热器的新型微推进器。喷管喉部尺寸为型微推进器。喷管喉部尺寸为1080m2021-11-14电阻电热推进器电阻电热推进器2021-11-14微型电阻电火箭微型电阻电火箭2021-11-14u气化腔：气化腔：10

10、0050010m 加热功率：加热功率：40wu加热电阻：加热电阻：8204402m 加热时间：加热时间：10s1ms微推进器结构图微推进器结构图2021-11-14微型化学推进器微型化学推进器同相催化微型化学推进器，采用过氧化氢工同相催化微型化学推进器，采用过氧化氢工质，测试实验，脉冲冲量可控制于质，测试实验，脉冲冲量可控制于0.11.6mns2021-11-14超高音速飞行器超高音速飞行器2021-11-14高超音速领域的研究高超音速领域的研究2021-11-142021-11-14passive cellular core jet blast deflector2021-11-14pass

11、ive cellular core jet blast deflector construction2021-11-14电子器件冷却电子器件冷却2021-11-14新材料新材料2021-11-141.4 传热过程的分类按温度与时间的依变关系，可分为按温度与时间的依变关系，可分为稳态稳态和和非稳态非稳态两大类。两大类。2021-11-141.5 固体火箭发动机中的传热现象图1-2 固体火箭发动机简图 燃烧室喷管推进剂点火装置挡药板(1)固体火箭发动机的工作过程是固体火箭发动机的工作过程是一个典型的由固体推进剂装药的一个典型的由固体推进剂装药的化学能转变为固体火箭飞行动能化学能转变为固体火箭飞行动

12、能的过程，固体推进剂装药燃烧后的过程，固体推进剂装药燃烧后不断地产生大量的高温（最高达不断地产生大量的高温（最高达3000k以上）和有一定压力（几兆以上）和有一定压力（几兆帕到一、二十兆帕左右）的燃气，帕到一、二十兆帕左右）的燃气，并连续排出。并连续排出。 2021-11-14(2)发动机中的传热现象是多种形式的。燃气除了将热量传发动机中的传热现象是多种形式的。燃气除了将热量传给装药以维持连续燃烧外，还同时把热量传给燃烧室壁、给装药以维持连续燃烧外，还同时把热量传给燃烧室壁、喷管及挡药板。喷管及挡药板。这些部件在这种高温燃气的作用下，温度这些部件在这种高温燃气的作用下，温度将急剧上升，材料强度

13、将有明显下降的趋势。将急剧上升，材料强度将有明显下降的趋势。当发动机工当发动机工作时间较长时，这种强度下降的趋势就更为显著。特别是作时间较长时，这种强度下降的趋势就更为显著。特别是在喷管喉部，通道面积最小，燃气密流最大，来自热燃气在喷管喉部，通道面积最小，燃气密流最大，来自热燃气的热流密度达到最大，工作条件最为恶劣。的热流密度达到最大，工作条件最为恶劣。 (3)在设计火箭发动机各部件结构时，就需要从它们在受热状在设计火箭发动机各部件结构时，就需要从它们在受热状态下的实际强度出发，或者要考虑在各部件上分别采取热防态下的实际强度出发，或者要考虑在各部件上分别采取热防护措施。因此，也就需要了解各部件

14、受热后的温度分布，需护措施。因此，也就需要了解各部件受热后的温度分布，需要进行严格的传热计算。这就是传热学要解决的问题。要进行严格的传热计算。这就是传热学要解决的问题。 2021-11-14(4)由于燃气向周围传热，将造成由于燃气向周围传热，将造成燃气的热损失燃气的热损失。这种热损。这种热损失将失将反过来影响发动机内的能量转换规律及压力变化规律。反过来影响发动机内的能量转换规律及压力变化规律。长期以来，由于固体火箭发动机内传热现象的复杂性，在长期以来，由于固体火箭发动机内传热现象的复杂性，在一般的内弹道研究中，考虑热损失的影响，通常都采用一般的内弹道研究中，考虑热损失的影响，通常都采用增增加比

15、热比或减少火药力的间接方法进行修正加比热比或减少火药力的间接方法进行修正。近年来，随。近年来，随着计算技术的发展，已能够把非定常热传导包含在内弹道着计算技术的发展，已能够把非定常热传导包含在内弹道方程之中，从而使得理论的研究更进一步准确化。方程之中，从而使得理论的研究更进一步准确化。2021-11-142 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式2.1 导热（热传导）(conduction) 热量传递的三种基本方式：热量传递的三种基本方式：导热导热(热传导热传导)、对流、对流(热对热对流流)和热辐射和热辐射。(1)定义：定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间指温度不同的物体各部分

16、或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象动而进行的热量传递现象(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：导热的特点：a 必须有温差；必须有温差；b 物体直接接触；物体直接接触；c 依依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。2021-11-14(4)导热的基本定律：导热的基本定律： 1822

17、年，法国数学家年，法国数学家fourier: w ddxta2mw ddxtaq上式称为上式称为fourier定律，号称导热基本定定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。负号表示导律，是一个一维稳态导热。负号表示导热方向与温度梯度方向相反。其中：热方向与温度梯度方向相反。其中： ：热流量：热流量，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量w；q：热流密度：热流密度，单，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位面积传递的热量；a：垂直于导热方向的截：垂直于导热方向的截面积面积m2； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）w/( mk)。图图2-1 2-1 一维稳态平板内导热一维稳态平板内

18、导热1wt2wtt0 x dxdtq2021-11-14(6) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如图如图2-1所示，简化结果如图所示，简化结果如图2-2所示，稳态所示，稳态 q = const，于是积分于是积分fourier定律有：定律有：210 dd21wwttttqtxqww(5) 导热系数导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。温度关。q1wt2wtartttqww21rtattww21rar 导热热阻单位导热热阻图图2-2 2-2 一维稳态导热一维稳态导热 简化结果简化结果2021-11

19、-14例题 2-1 一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在.100,30021ctctowow试求下列条件下的热流密度。(1)材料为铜，=375 w/(mk );(2)材料为钢， =36.4 w/(mk );(3)材料为铬砖， =2.32 w/(mk )；(4)材料为铬藻土砖， =0.242 w/(mk )。解：参见解：参见图图2-12-1和和图图2-22-2。 及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：2021-11-142321mw1028. 905. 010030032. 2wwttq铬砖：铬砖：2221mw1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土砖

20、：硅藻土砖：讨论：讨论：由计算可见，由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。砖的导热量大三个数量级。 因而，因而，铜是热的良导体，铜是热的良导体， 而而硅藻土砖则起到一定的隔热作用。硅藻土砖则起到一定的隔热作用。2621mw105 . 105. 0100300375wwttq铜：铜：2521mw1046. 105. 01003004 .36wwttq钢：钢：2021-11-14(1)定义：定义： 流体中（气体或液体）温度不同的各部分

21、之间，由于发生相流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。2.2 对流（热对流）(convection)(2) 对流换热：对流换热： 当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在导热与热对流同时存在的复杂热传递过程的复杂热传递过程 b 必须有必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有；也必须有温差温差 c 壁面处会形成速度梯度很

22、大的壁面处会形成速度梯度很大的边界层边界层 2021-11-14(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热图2-3 对流换热中边界层的示意图2021-11-14w )(tthaw2mw )( fwtthaq(4) 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数表面传热系数(对流换热系数对流换热系数) 热流量热流量w，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量q2mw 热流密度热流密度k)(mw2a2m 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积wt c 固体壁表面

23、温度固体壁表面温度t 流体温度流体温度 cy流动方向自由流壁vvttw图2-4 平壁上的对流换热 2021-11-14 h物理意义：物理意义：当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。面积上、单位时间内所传递的热量。)( ttahwk)(mw2影响影响h因素因素：流速、流体物性、壁面形状大小等：流速、流体物性、壁面形状大小等hhrthtqrthat 1 )(1（convection heat transfer coefficient）(5) 对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)2021-11-14hhrthtqrt

24、hat 1 )(1 )(1wcharh 12wcmhrh(thermal resistance for convection)(6) 对流换热热阻：对流换热热阻： 2021-11-14(1) 定义：定义： 有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。2.3 热辐射(thermal radiation)(2) 特点：特点： a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 k，就会不停地向周围空间，就会不停地向周围空间发出热辐射；发出热辐射； b 可以在真空中传播；可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变； d 具有强烈的方向性

25、；具有强烈的方向性； e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关； f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。 2021-11-14(3) 生活中的例子生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；时要舒服； c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却以上，但地面却可能结冰。可能结冰。(4) 辐射换热：辐射换热： 物体间靠热

26、辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样不同，就像对流和对流换热一样(参照图参照图3-1)。 2021-11-14(5) 辐射换热的特点：辐射换热的特点：a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量真空中就可以传递能量b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁

27、波能、相互波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。2021-11-14(6) 辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法： 假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。(7) 黑

28、体的定义：黑体的定义： 能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。 2021-11-14(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： 斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼波耳兹曼(stefan-boltzmann)定律定律 4ta4tq4ta真实物体则为：真实物体则为： (9)两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 (参见图参见图2-5和图和图3-2)(4241tta2021-11-14)(424121ttq42t1t2t图2-5 两黑体表

29、面间的辐射换热41t2021-11-14例题例题 2-2 2-2 一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径其保温层外径d=583 m m ， 外 表 面 实 测 平 均 温 度 及 空 气 温 度 分 别， 外 表 面 实 测 平 均 温 度 及 空 气 温 度 分 别为为 ，此时空气与管道外表面间的自然对，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数流换热的表面传热系数h=3.42 w /(m2 k), 保温层外表面保温层外表面的发射率的发射率ctctfw23,489 . 0问：（问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；此管道的散热必须考虑哪些热量传递方

30、式； （2）计算每米长度管道的总散热量。）计算每米长度管道的总散热量。解：解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为）把管道每米长度上的散热量记为2021-11-14)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mw 近似地取管道的表面温度为室内空气温度，近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：与室内物体及墙壁之间的辐射为：)(4241,ttdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mw讨论：讨论： 计算结果表明，计算结果表明， 对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热2021-11-143 传热过程和传热系数传热过程和传热系数3.1 传热过程的定义3.2 传热过程包含的传热方式导热、对流、热辐射导热、