传热学-总复习

1、College of Energy & Power Engineering Heat Transfer 主讲教师：张彭岗联系电话mail: College of Energy & Power Engineering 总总 复复 习习College of Energy & Power Engineering 一、基本概念一、基本概念(绪论绪论)1、传热的三种基本方式、传热的三种基本方式 P32、传热过程、传热过程 P7热传导、热对流、热辐射热传导、热对流、热辐射College of Energy & Power Engineering 1

2、、导热的基本定律 导热的基本计算公式：导热的基本计算公式：12wwttAW2/tqW mA导热量：导热量：热流密度：热流密度：College of Energy & Power Engineering 基本概念基本概念(导热导热)1、导热基本概念及定律导热基本概念及定律 导热定义导热定义 P3 导热的特点导热的特点 几个有用的术语几个有用的术语 P15-16 温度场、等温线温度场、等温线(面面)、温度梯度、温度梯度 热流密度、热流密度矢量热流密度、热流密度矢量 傅里叶定律傅里叶定律 P17 热流密度矢量热流密度矢量 温度梯度温度梯度 2 - grad W m qTCollege of

3、Energy & Power Engineering 2、导热机理和导热系数导热机理和导热系数 导热系数导热系数 P19 物理属性，物理属性， 单位单位 W/(mK) 主要影响因素和一般规律主要影响因素和一般规律 气体气体 固体固体(金属金属/合金合金/非金属非金属) 液体液体 保温材料：保温材料：“表观导热系数表观导热系数” T - TqgradTTMTCollege of Energy & Power Engineering 2 2、 导热系数影响因素导热系数影响因素1）、）、 物质的种类物质的种类 不同的物质，由于本身的构造不同以及导热的机理差异较大，从而导热系数之间也大

4、相径庭 。 金非固液气固相液相气相纯金属合金College of Energy & Power Engineering 2）、）、 温度温度 严格意义上讲，每种物质的导热系数都是受温度影响的，但不同物质的导热系数随温度变化的规律是不同的。 纯金属：温度升高，导热系数减小； 一般合金和非金属：温度升高，导热系数增大；College of Energy & Power Engineering 大多数液体：温度升高，导热系数减小； （反例：水和甘油） 所有气体：温度升高，导热系数增大。College of Energy & Power Engineering 3）、）、 湿度

5、湿度 多孔材料容易吸收水分，水分渗入到保温材料中后，替代了孔隙中相当一部分的空气； 更主要的是水分将在温差的作用下从高温区向低温区迁移而传递了热量，正因为这个原因，湿材料的导热系数甚至比纯水的导热系数还要大。 College of Energy & Power Engineering 冬天，住新房子和旧房子哪个更冷点？冬天，住新房子和旧房子哪个更冷点？ College of Energy & Power Engineering 如何设计保温材料？如何设计保温材料？ 抽真空抽真空银涂层银涂层College of Energy & Power Engineering 6、非

6、稳态导热的基本概念、非稳态导热的基本概念 非稳态导热的基本特点非稳态导热的基本特点 毕渥数毕渥数Bi的定义及其物理意义的定义及其物理意义 P60 热扩散率的定义及其物理意义热扩散率的定义及其物理意义 P24 PaCBi1hh 物体的内部导热热阻物体的表面对流传热热阻College of Energy & Power Engineering 多孔材料的热量传递包含多种机制多孔材料的热量传递包含多种机制 P20 结构实体的导热；结构实体的导热； 穿过微小孔隙的导热与对流；穿过微小孔隙的导热与对流； 孔隙间表面的辐射孔隙间表面的辐射 严严格地说，多孔性结构的材料不再是均匀格地说，多孔性结构的

7、材料不再是均匀的连续介质，所谓导热系数只能是把它当的连续介质，所谓导热系数只能是把它当作连续介质时的表观导热系数作连续介质时的表观导热系数 、湿度影响因素：影响因素：容积重量、密度、湿度容积重量、密度、湿度College of Energy & Power Engineering 3、一维稳态导热一维稳态导热 热阻的基本表达式热阻的基本表达式(注意成立条件注意成立条件)平壁平壁圆筒壁圆筒壁 温度分布曲线的定性分析温度分布曲线的定性分析 变截面导热变截面导热()RAC W()0ddtrdrdr220 d tdx211ln 2rRLr( )dtQA xdx 变导热系数变导热系数01 bt（

8、）College of Energy & Power Engineering 2tatc 无内热源： 2tat 稳态温度场 ： 无内热源稳态 ： 20t222222200ttttxyz 无内热源的无限大平壁的稳态导热的导热微分方程式该怎么写呢？ 220d tdxCollege of Energy & Power Engineering 3.1.1 3.1.1 通过平壁的导热通过平壁的导热 1212wwwwttdtqttdx 第一类边界条件的平板导热问题第一类边界条件的平板导热问题College of Energy & Power Engineering 热流量： 12w

9、wQAtt12wwttA 通过平壁通过平壁的导热热阻的导热热阻 College of Energy & Power Engineering .3 Bi 数数 定义：定义： Bi数是物体内部导热热阻与外部对流换热热阻之比，即： 1eelh lBih式中：称为定型尺寸 ； eVlA对于无限大平壁： 2elCollege of Energy & Power Engineering 2. 时间常数时间常数ccVhA其值反映了导热体温度响应快慢的程度。 00expexphAcVcVhACollege of Energy & Power Engineering 傅里

10、叶数傅里叶数Fo的定义及其物理意义的定义及其物理意义 P61 非稳态导热解的一般形式非稳态导热解的一般形式0( ,)f xBi Fo2/Fola物理意义：物理意义： 表征非稳态过程进行深度，表征非稳态过程进行深度， 反映热扰动快慢的无量纲时间反映热扰动快慢的无量纲时间 College of Energy & Power Engineering Bih 毕渥准则毕渥准则Bi1hh 物体内部导热热阻物体表面对流换热热阻t=t0College of Energy & Power Engineering 7、集总参数法、集总参数法 集总参数法的适用条件集总参数法的适用条件 数学模型的建

11、立：控制体选择特点数学模型的建立：控制体选择特点 0lnhAcV ()dtdhA ttcV()0.1Vh VAhlB iMl 特 征 长 度211/ 221/33lMrrlMrrlM厚度为的平板半径为 的长圆柱体半径为 的球体College of Energy & Power Engineering 0re时r00.374 时r00.0180一般地，经过一般地，经过4 4个时间常数，个时间常数，导热体已达到热平衡状态导热体已达到热平衡状态400.018reeCollege of Energy & Power Engineering 1、对流换热基本概念及定律对流换热基本概念及定

12、律 对流、对流换热定义对流、对流换热定义 P3 边界层概念及其意义边界层概念及其意义 P108-109 流动边界层、热边界层流动边界层、热边界层 层流边界层、湍流边界层层流边界层、湍流边界层 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 理解其内在本质内涵理解其内在本质内涵 基本概念基本概念( (对流换热对流换热) )Pr0.5PrPr0.3nTnn很小，很大，College of Energy & Power Engineering 2. 边界层的形成和发展边界层的形成和发展 eululR式中：l 为定型尺寸，对于平板为板长； 为运动粘度； 为动力粘度。 Re 数反映了惯性力与粘性力的比值，它的大小决定

13、了边界层的形成和发展。College of Energy & Power Engineering Re 较小时（外掠平板时较小时（外掠平板时 ） 55 10cx层流底层层流底层55 10College of Energy & Power Engineering 普朗特数：普朗特数： /Prppcac 1/3/trPCollege of Energy & Power Engineering 性质性质:描写现象的同名特征数（准则数）对应相等。 RePrGr已定准则已定准则待定准则待定准则hlNu RePrmnNuc College of Energy & Power

14、 Engineering 2、对流换热的核心问题对流换热的核心问题 对流换热系数对流换热系数 h 的确定及对流换热的强化的确定及对流换热的强化 对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过壁对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过壁面的流体沿壁面法线方向导热而实现的面的流体沿壁面法线方向导热而实现的( , , , , , , , , , )wfphf v ttcl 根据对流换热机理：根据对流换热机理：,w xw xtqy 根据对流换热定义：根据对流换热定义：,() w xxwqh t -t2, W (mC)xww xthtty College of Energy & Power Engin

15、eering 4、相似原理和应用相似原理和应用 相似现象的内涵相似现象的内涵 P114用相同形式和内容的微分方程式（用相同形式和内容的微分方程式（控制方程控制方程+单值性单值性条件方程条件方程）所描述的现象叫）所描述的现象叫同类现象同类现象 College of Energy & Power Engineering 相似三个定理相似三个定理 P114-115彼此相似的现象，它们的同名相似准则相等彼此相似的现象，它们的同名相似准则相等 描述现象的微分方程式表达了各物理量之间的函数关描述现象的微分方程式表达了各物理量之间的函数关系，那么由这些量组成的相似特征数应存在函数关系。系，那么由这些

16、量组成的相似特征数应存在函数关系。凡单值性条件相似、同名已定特征数相等的同类现象凡单值性条件相似、同名已定特征数相等的同类现象必定相似必定相似College of Energy & Power Engineering 相似特征数的相似分析获取方法相似特征数的相似分析获取方法 相似特征数的物理意义（附录相似特征数的物理意义（附录14 ）特征温度、特征尺寸、特征速度的选取特征温度、特征尺寸、特征速度的选取 P118 College of Energy & Power Engineering 5、几种典型的对流换热过程、几种典型的对流换热过程 外略圆管表面的流动换热特征外略圆管表面的

17、流动换热特征 P142-143College of Energy & Power Engineering 管内流动换热的特征管内流动换热的特征 P129-134College of Energy & Power Engineering 1、辐射换热基本概念及定律辐射换热基本概念及定律 热辐射、辐射换热定义热辐射、辐射换热定义 P4 基本概念基本概念( (辐射换热辐射换热) )辐射换热：辐射换热：物体之间相互辐射和吸收的总效果物体之间相互辐射和吸收的总效果 若物体与环境处于热平衡，是否还有热辐射进行？若物体与环境处于热平衡，是否还有热辐射进行？College of Energy

18、& Power Engineering u(1) 不依靠物质接触而进行热量传递；即：不需要介质不依靠物质接触而进行热量传递；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量的存在，在真空中就可以传递能量u(2) 一切物体只要温度大于绝对零度，都会不停地发射一切物体只要温度大于绝对零度，都会不停地发射热射线热射线u(3) 物体的热辐射不仅与自身的温度与表面状况有关物体的热辐射不仅与自身的温度与表面状况有关,而而且还随辐射的波长和方向而异且还随辐射的波长和方向而异u(4) 物体发射吸收辐射能量的过程伴随能量形式的转化：物体发射吸收辐射能量的过程伴随能量形式的转化：u物体热力学能物体热力学能 电

19、磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能 热辐射特点热辐射特点 (与导热、对流换热的区别与导热、对流换热的区别) P4College of Energy & Power Engineering 辐射特性辐射特性 牢固树立辐射的牢固树立辐射的和和u镜反射：镜反射：u漫反射：漫反射：College of Energy & Power Engineering 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律 P193max2897.6 m KT42 W mbbE T( ) coscoscosnnEIIECollege of Energy & Power Engineering 2、辐射强度和

20、辐射力辐射强度和辐射力 立体角立体角 P191-192 基本定义和区别基本定义和区别辐射强度辐射强度 P205光谱辐射强度光谱辐射强度辐射力辐射力 P190光谱辐射力光谱辐射力定向辐射力定向辐射力22ddArCollege of Energy & Power Engineering u定向辐射强度定向辐射强度I：在单在单位时间内、单位可见辐位时间内、单位可见辐射面积辐射出去的落在射面积辐射出去的落在单位立体角内的全波长单位立体角内的全波长的辐射能量的辐射能量辐射力辐射力E：在单位时间内、发射体每单位面积、向半球空间所有在单位时间内、发射体每单位面积、向半球空间所有方向发射的全波长能量方

21、向发射的全波长能量20 ( ) cosdEIu光谱辐射力：光谱辐射力： 若辐射力是针对某波长若辐射力是针对某波长 、波长间隔为、波长间隔为 d 范围内所范围内所发射的能量。发射的能量。 E 定向辐射力：定向辐射力：在单位时间内、发射体的单位面积、在单位时间内、发射体的单位面积、向某个方向单位立体角内发射的辐射能向某个方向单位立体角内发射的辐射能 )mW2SrE（College of Energy & Power Engineering 3、实际物体表面理想化处理、实际物体表面理想化处理 黑体黑体 灰体灰体P214 光谱发射率与波长无关的物体光谱发射率与波长无关的物体基尔霍夫定律基尔霍夫

22、定律 P217 1bEE1212bEEEE 漫辐射表面漫辐射表面P214 辐射强度在空间各个方向上都相等的物体辐射强度在空间各个方向上都相等的物体College of Energy & Power Engineering 4、辐射换热的计算、辐射换热的计算 角系数的概念及其应用条件角系数的概念及其应用条件 P237X1,2表面表面1发出的辐射能中落到表面发出的辐射能中落到表面2上的上的百分数称为表面百分数称为表面1对表面对表面2的的角系数角系数1,212,12XAXA 角系数的互换性角系数的互换性1,11njjX 角系数的完整性角系数的完整性1,21,2ii 1NXX 角系数的可加性角

23、系数的可加性 角系数的代数分析法角系数的代数分析法 P241-244互换性互换性/完整性完整性/分解性分解性P237College of Energy & Power Engineering 有效辐射有效辐射 P244辐射热势辐射热势空间辐射热阻空间辐射热阻/表面辐射热阻表面辐射热阻有效辐射有效辐射 nm 辐射网络辐射网络 P248u单位时间内由灰体的单位表单位时间内由灰体的单位表面积所发射的总能量，等于面积所发射的总能量，等于本身辐射本身辐射E与投入辐射与投入辐射G的反的反射辐射射辐射G之和之和基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律：流入每个节点的电流（热流）：流入每个节点的电流（热流）

24、总和为零总和为零College of Energy & Power Engineering 三表面封闭系统中的两个重要特例三表面封闭系统中的两个重要特例 1、有一个表面为黑体、有一个表面为黑体2、有一个表面绝热、有一个表面绝热 重辐射面：重辐射面：在辐射换热系统中，表面温度未定、净辐在辐射换热系统中，表面温度未定、净辐射换热量为零的表面。绝热表面即为重辐射面之一。射换热量为零的表面。绝热表面即为重辐射面之一。College of Energy & Power Engineering 二、计算题类型二、计算题类型1、导热导热 一维稳定导热的理论分析一维稳定导热的理论分析 无限大平

25、壁无限大平壁/无限长圆筒壁无限长圆筒壁 数学模型数学模型(方程方程/边界条件边界条件) 求解过程求解过程 变截面锥台变截面锥台 集总参数法集总参数法College of Energy & Power Engineering 2、对流换热、对流换热 根据准则关联式根据准则关联式 定性温度定性温度 定型尺寸定型尺寸 特征速度特征速度 根据相似理论根据相似理论College of Energy & Power Engineering 3、辐射换热、辐射换热 三个表面之间的辐射换热三个表面之间的辐射换热 辐射网络（特例：重辐射表面、黑体表面）辐射网络（特例：重辐射表面、黑体表面） 有效

26、辐射有效辐射/投入辐射投入辐射/固有辐射固有辐射/辐射换热量辐射换热量 遮挡板遮挡板 孔口的辐射散热孔口的辐射散热College of Energy & Power Engineering 三个表面的辐射网络图：三个表面的辐射网络图： 1121A X1131AX2231A X1231bE2bE3bECollege of Energy & Power Engineering 当组成封闭空腔诸表面中有某个表面 i 是绝热时，它在参与辐射过程中没有净热量交换，即Qi0，这时投射到该表面上的辐射能将全部反射出去，这种表面叫做重辐表面。重辐表面：重辐表面： 1121A X1131AX22

27、31A X121bE2bECollege of Energy & Power Engineering 例7.2 有一半球形容器r1m，底部的圆形面积上有温度为200的辐射表面1和温度为40 的吸热表面2 ，它们各占圆形面积的一半，1，2表面均为黑表面，容器壁3为绝热表面，试求1、2之间的辐射换热量和容器壁3的温度。解：解：31221bE2bE1131AX2231A X1College of Energy & Power Engineering 1232bbbEEE121,2131232180011bbEEQWX AXA3132131232011bbbbEEEEX AX A331

28、320QQQ由，可知：4441232TTT3415TKCollege of Energy & Power Engineering 7.2.2 组成封闭空腔的灰表面间的辐射换热 College of Energy & Power Engineering 例2.4 某两层平壁稳态导热的温度场如图所示，已知 ，求：1） 2） 3） 。 12:1:312:?qq 12:?12:?RR 5030201q2q11 22 College of Energy & Power Engineering 思考题：思考题：火星与地球离太阳的距离相当，为什么与地球相比，火星上的昼夜温差要大的多？

29、 College of Energy & Power Engineering 例6. 1 北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上下表面的哪一面结霜，为什么？解：解： 霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于0，而地球表面的温度一般在0以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以下表面树叶温度更高，而上表面温度可能会低于零度，从而容易结霜。College of Energy & Power Engineering 例6. 2 对于放置在室外的冷库，从减少冷库冷量损失的角度出发，冷库外壳的颜色应涂成深色还是浅色？解：解： 要减少冷量损失，须尽可能少地吸收外界热量，而尽可能多地向外界释放热量。因此冷库应取较浅的颜色，从而使吸收的可见光能量较少，而向外发射的红外线较多。College of Energy & Power Engineering 例7.1 如图所示，已知 ， 求 。1 2,30.15X2,30.24X1,3?X解：解：123100010005005001 2(1 2),311,322,3AXA XA X1,