传热学复习课

传热学总复习绪论要求：深刻理解传热的三种基本方式导热热对流/对流换热热辐射灵活地应用基本理论分析实际的传热现象熟练掌握传热过程的概念：传热系数，热阻绪论----传热学应用实例日常生活中的例子：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、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？

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？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？实际换热导热,对流和热辐射是3种基本传热方式,在实际情况下,它们并非单独出现,而是多种方式并存。在分析传热问题时首先就应该弄清楚有那些传热方式在起作用，然后再按照每一种传热方式的规律进行计算。

课堂练习绪论——传热过程分析冬天室内热水供暖暖气片的散热过程分析：包括哪些环节？绪论——传热过程分析有人将一碗稀饭放在冷水盆中冷却，为加速冷却，应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的水？————03年清华研考题结合以后的内容及第9章内容，进一步掌握强化换热的原则稳态导热问题要求掌握傅立叶导热定律等基本定律和概念掌握导热微分方程及其定解条件建立微分方程的方法：能量守恒掌握几种典型的几何形状物体的稳态导热解平壁圆柱变导热系数的处理方法肋的导热问题建立方程的方法其他可当作肋来分析的物体（热点偶套管，稳态导热问题要求热阻概念：平壁、圆柱的热阻运用基本概念灵活分析各种热现象稳态导热问题本章的核心，希望大家能够学会一种思想和方法：守恒。导热问题以及任何其他问题（包括流体力学问题）的数学描述都基于“守恒”这一基本物理原理来建立要灵活应用“守恒”，特别是能量守恒建立不同的传热过程的数学方程导热问题—练习导热微分方程的建立基于什么基本原理？导热问题—练习各向同性物体二维稳态导热，物体中任一点可否具有两个温度梯度？导热问题—练习热电厂冷却用水、锅炉给水要经过软化处理的原因？两根直径不同的蒸汽管道，外表面敷设厚度相同，材料相同的保温材料。如果管子外表面和绝热层外表面的温度相同，其每米长的热损失是否相同？课堂练习两个几何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的对流换热条件下，沿肋高方向温度分布如图所示。t0t∞tx012请判断1、2哪种材料的导热系数大和那个肋的效率高？1的导热系数大，效率高非稳态导热问题基本概念热扩散率物理意义，Bi,Fo数定义和意义，一维非稳态导热的3种情况的特点集总分析——重点物理概念和本质适用条件时间常数概念、定义建立方程的方法（能量守恒）非稳态导热问题要求对集总分析务必要掌握,并能灵活地运用,既会求时间,也能由给定时间来倒求尺寸(直径,厚度等).对一般性的非稳态传热问题，至少要能够建立其微分方程和初始、边界条件非稳态导热问题

几点说明导热物体外的换热条件可能是对流换热,也可能是辐射换热,还有可能是对流和辐射的耦合.当外部换热条件为辐射换热或复合换热时,大家应该熟练掌握如何根据能量守恒原理建立导热微分方程.由Bi数的定义,若表面传热系数h或特征尺度(如直径)未知时,事先无法知道Bi数的大小.因而可以事先假设集总参数法的条件成立,待求出h或d后,进行校核.课堂练习教材P93:习题3-21比较思考题某厂生产的测温元件的说明书中说,该元件的时间常数为1s,从传热学的角度,你认为此值可信吗?与使用环境的换热过程有关导热问题的数值解——基本思想

用导热问题所涉及的空间和时间区域内有限个离散点(称为节点)的温度近似值来代替物体内实际连续的温度分布，将连续温度分布函数的求解问题转化为各节点温度值的求解问题，将导热微分方程的求解问题转化为节点温度代数方程的求解问题。因此，求解域的离散化、节点温度代数方程组的建立与求解是数值解法的主要内容。导热问题的数值解要求建立节点差分方程的方法，重点掌握控制容积热平衡法；非稳态问题的数值解时间步长和空间步长的选择——稳定性条件显式和隐式格式的概念向前、向后、中心差分格式离散代数方程组的迭代解法的发散问题以上基本概念要很清晰，能够写出所给方程的差分方程课堂练习

第三类边界条件下的外拐角边界节点

绝热边界节点对流换热要求熟练掌握本章的基本概念深刻理解边界层理论，并灵活运用它分析各种对流换热问题以及强化对流换热的指导思想知道对流换热方程组的推导方法和理论依据了解边界层积分方程及其结果熟练掌握相似理论熟练应用对流换热经验公式进行计算（无需死记公式，但要理解它的含义和用法）对流换热要求对管内、外流动的特点熟知对自然对流现象有清晰的概念，并能比较强迫对流和自然对流边界层、传热特性的比较掌握本章的几个重要的准则数的定义、物理意义对流换热——概述对流换热的核心问题是对流换热系数要了解影响对流换热（系数）的因素知道对流换热微分方程对对流换热微分方程组要熟知，知道它们建立的方法和思路，对其中各项（如对流项，非稳态项，扩散项等要知道为什么这么叫，不必死记公式的表达形式）对流换热的单值性条件（第一、二类，无第三类）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结果。

影响因素：

1)流动的起因：强迫对流换热与自然对流换热

2)流动的状态：层流和紊流

3)流体有无相变4)流体的物理性质5)换热表面的几何因素对流换热的数学描述

1)对流换热微分方程取边长为x,y,z=1的微元体为研究对象当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0,u=0）在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递流体温度

流体的热导率

1)对流换热微分方程再按照牛顿冷却公式

对流换热过程微分方程式固体表面的温度,也是壁面处流体的温度要想求得表面传热系数，首先必须求出流体的温度场

温度场取决于流场连续性方程、动量方程、能量方程能量微分方程微元体的能量守恒

xx+dx能量微分方程扩散项对流项非稳态项——能量微分方程

第一类边界条件

第二类边界条件

流动边界层有关概念边界层的厚度：通常规定速度达到0.99u∞处的y值作为边界层的厚度，

临界距离：边界层从层流开始向紊流过渡的距离xc

热边界层规定流体过余温度

处到壁面的距离为热边界层的厚度

热边界层就是温度梯度存在的流体层，因此也是发生热量传递的主要区域，其温度场由能量微分方程来描写。热边界层之外，温度梯度忽略不计，流体温度为主流温度t∞流动边界层和热边界层的关系流体的温度场与速度场密切相关。

速度、温度梯度平缓，导热为主，

核心区，速度、温度梯度较小，对流为主，

速度、温度梯度较大，导热为主，热阻大边界层内的传热特点两种边界层厚度两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度与热扩散率a的相对大小。普朗特数，其物理意义为流体的动量扩散能力与热量扩散能力之比

反映流体动量扩散的能力,值越大，流动边界层越厚

反映物体热量扩散的能力,a值越大，热边界层越厚

气体的Pr在0.6~0.8范围

小结：边界层特征

边界层的厚度与壁面特征长度l相比是很小的量；流场划分为边界层区和主流区。流动边界层内存在较大的速度梯度，是发生动量扩散（即粘性力作用）的主要区域。在流动边界层之外的主流区，流体可近似为理想流体；热边界层内存在较大的温度梯度，是发生热量扩散的主要区域，热边界层之外的温度梯度可以忽略；边界层分为层流边界层和紊流边界层。紊流边界层分为层流底层、缓冲层与紊流核心三层结构。层流底层内的速度梯度和温度梯度远大于紊流核心；在层流边界层与层流底层内，垂直于壁面方向上的热量传递主要靠导热。紊流边界层的主要热阻在层流底层。边界层方程的简化根据数量级的分析，略去小量，进行简化要求熟知层流边界层的微分方程组，平板层流边界层换热的相似解外掠平板层流换热分析结果

对于常物性、无内热源、不可压缩牛顿流体平行外掠等壁温平板层流换热，布拉修斯（H.Blasius

）、波尔豪森（E.Pohlhausen

）等人在二十世纪初用无量纲坐标、无量纲流函数及无量纲温度将动量微分方程式和能量微分方程式由偏微分方程转化为常微分方程，进行了求解。——相似解

Pr≥0.6的流体

Nusselt

数特征数方程，关联式，准则式相似原理知道相似的概念，能判断同类物理现象能够进行相似分析

相似分析A、B两个对流换热现象相似，雷诺数和普朗特数相等。

彼此相似的物理现象，同名的相似特征数相等。

所有相似的物理现象的解必定用同一个特征数关联式来描写，这意味着，从一个物理现象所获得的特征数关联式适用于与其相似的所有物理现象。

——实验研究可应用的依据课堂练习教材P104:习题5-25特征数的物理意义小结

表征流体在壁面处法线方向上的平均无量纲温度梯度，其大小反映对流换热的强弱。表征流体惯性力与粘性力的相对大小，Re越大，惯性力的影响越大。是流体的物性特征数，表征流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小。第三类边界条件给定待定参数

固体材料的热导率流体的热导率

反映固体导热温度场几何特征的尺度

反映对流换热固体边界几何特征的尺度管内强迫对流换热管内边界层发展的特点；管内对流换热的进口效应；经验公式的计算；管内强迫对流换热的强化强化机理管内对流换热的热阻主要是在边界层，强化换热的突破口就在于减薄或破坏边界层；同时改变流体的物性也有助于强化换热。强化手段增加流速，，采用内肋管（纵向肋，离散肋，三维微肋），内螺纹管，内纽带等。短管，小直径管，增加壁面粗糙度等。强化换热将带来阻力的增加。外掠壁面强迫对流换热外掠平板

：相似解横掠单管：流动特点：横掠管束：定量计算：正确使用经验公式流体横掠单管时的流动状态分析

流体流过圆柱体时，边界层之外的流体可看作理想流体，根据理想流体的伯努利方程沿流动方向微分

流速增加，压力降低压力势能转变为动能

流速降低，压力增加，流体克服压力的增加向前流动

边界层底层流速底，不足以克服压力时就反流脱体点脱体点的位置取决于Re的大小

自然对流换热产生原因：温差有温差不一定发生自然对流：会判断自然对流分类：大空间/有限空间数学描述：浮升力不可忽略Gr数自然对流的判断准则数表征浮升力与粘性力相对大小，反映自然对流的强弱，Gr越大，浮升力的相对作用越大，自然对流越强。定量计算：会应用，能选择经验公式的常数大空间内沿垂直壁面的自然对流换热的边界层速度分布与沿垂直壁面的强迫对流换热有何区别？自然对流边界层内的流体是在浮升力与粘性力的共同作用下运动，而强迫对流边界层内的流体是在惯性力与粘性力的共同作用下运动，这就决定了自然对流边界层内的速度分布与强迫对流不同，自然对流的最大速度位于边界层内部，并随Pr数的增大位置向壁面移动。

凝结换热与沸腾换热有关基本概念；膜状凝结换热的影响因素：不凝结气体膜状凝结换热的强化；大容器饱和沸腾曲线；核态沸腾换热的强化；影响沸腾换热的因素；课堂练习教材P229：习题6-4当把一杯水倒在一块赤热的铁板上时，板面立即会产生许多跳动着的小水滴，而且可以维持相当一段时间而不被汽化掉。请解释之，并从沸腾换热曲线上找出开始形成这一状态的点。课堂练习教材P232，习题6-21

初温800℃的合金钢元在98℃水中淬火的冷却曲线如图，请分析各过程。钢元温度℃20040060080010000时间/s61218243036ABC膜态沸腾核态沸腾热辐射基本定律基本概念：辐射强度/辐射力；灰/黑体等黑体辐射的基本定律黑体辐射函数及其应用：特别强调基尔霍夫定律实际物体的吸收/发射特性：选择性概念黑体辐射的基本定律

1.普朗克定律

:

从理论上确定了黑体辐射的光谱分布规律

2.斯忒藩—玻耳兹曼定律

确定了黑体的辐射力Eb与热力学温度T之间的关系3.兰贝特定律

确定了黑体辐射强度所遵循的空间均匀分布规律兰贝特（Lambert）定律辐射强度在空间各个方向上都相等的物体也叫作漫发射体

定向辐射力与辐射强度的关系

表面法线方向的定向辐射力

兰贝特定律

也叫余弦定律

对于漫发射体练习教材P260：思考题5基本概念辐射强度：单位投影面积所发出的包含在单位立体角内的辐射能辐射力：在单位时间内，每单位面积的物体表面向半球空间发射的全部波长的辐射能总和辐射换热的计算角系数：定义、性质、计算（代数法）黑体表面之间的辐射换热直接辐射换热和净辐射换热的区别辐射热阻的概念封闭空腔的网络图漫灰表面之间的辐射换热有效辐射封闭空腔的网络图定量计算重辐射面遮热板的原理辐射换热的计算带遮热罩的热电偶测温复合换热概念和计算气体辐射：三原子气体的选择性发射/吸收期末考试闭卷：需要的经验公式给出；形式：基本概念、分析判断简答占50%，计算占50%；成绩：考试80%+作业15%+平时5%；典型例题某加热炉的炉门由两层材料组成，内层材料的导热系数为1=0.24W/(m.K)，外层厚2=5mm，导热系数2=0.12W/(m.K)。炉内温度为tf1=800℃

，炉内介质与内层壁面的对流换热系数为hc=18W/(m2.K)，辐射换热系数为hr=220W/(m2.K)。炉外空气温度为tf2=30℃

，总表面传热系数为h2=16W/(m2.K)。求：（1）稳态时如炉门外壁温度不能超过60℃，内层材料的厚度1至少为多少？（2）如外层材料