《热流体工程学I》课程教学大纲

《热流体工程学I》课程教学大纲课程编码：412502课程名称：热流体工程学I英文名称：Thermofluids1开课学期：4学时/学分：32/2（其中实验学时：5学时）课程类型：学科基础必修课开课专业：机械类专业本科生选用教材：杨世铭.传热学基础(第二版).北京:高等教育出版社,2003.12.主要参考书：1、J.P.Holman,HeatTransfer(10thedition),NewYork:McGraw-Hill,2009.2.2、T.L.Bergman,A.S.Lavine,FundamentalsofHeatandMassTransfer(7thedition),NewYork:JohnWiley&Sons,2011.3、陶文铨.数值传热学(第2版).西安:西安交通大学出版社,2001.5.4、M.Kaviany.PrinciplesofHeatTransfer.NewYork:JohnWiley&Sons,2001.6.一、课程简介【课程名称】《热流体工程学I》（32学时/2学分，春季）[CourseName]Thermofluids1(32studyhours/2credits,SpringSemester)【教学目的】热流体工程学I依托机械工程专业为背景，主要研究机械工程设计、制造和应用中热量传递的机理、规律、分析、计算和测试方法等基础理论知识。随着生产和科学技术的发展，传热学的研究和应用深入到各个机械工业和科研领域，是当今科学技术发展最重要的技术基础之一，因此传热学课程成为了工学类相关专业的技术基础课，是国内外高等学校机械类专业高度重视的主干专业基础必修课和平台课。本门课程可为学生学习有关机械工程后续专业课程打下良好的基础，培养学生对专业所涉及的传热学问题具有一定的分析和计算能力，并为学生获取和拓展本专业发展理论和应用实践打下基础。[CourseObjects]Thiscourseisintendedtoteachheattransfertheory.Heattransfertheoryisakindofsciencewhichfocusesonthetransferrulesofheatandisderivedfromfluidmechanicsandphysics.Theresearchandapplicationofheattransferhaspenetratedintoallfieldsofindustryandscience.Soheattransfertheoryisacompulsoryandbasiccourseofallmajorsreferredtomechanicalengineering.Theenforcementofbasictheoryofheattransferanditsapplicationinengineeringfieldsisthemaingoalofthiscourse.Itaimsatteachingthebasicrulesofheattransferprocess,namelyheatconduction,heatconvectionandheatradiation,andtheirbasictheories,mathematicalexpressions,computationalmethodsandexperiments.Meanwhiletheresearchstatusandtendencyofheattransfertheoryanditsapplicationsinengineeringfieldsbothdomesticandabroadwillbeintroducedtostudents.Thustheabilityforstudentstodealwithpracticalproblemsreferredtoheattransferiscultivatedandabasicknowledgetoworkfurtheronresearchactivityisbuilt.【教学内容】本课程共7章理论内容及4个实验内容，主要介绍了导热、对流换热和辐射换热三种换热方式的基本概念及其相关问题的计算方法。理论内容包括绪论、导热基本原理、稳态导热、非稳态导热、对流换热、辐射换热以及复合换热与传热；实验内容包括材料导热系数的测定实验、复合换热传热系数的测试实验、中温辐射物体黑度的测定和复合传热性能实验（蒸汽冷凝）。[TeachingContent]Thiscourseintroducesthebasicconceptsofthreekindsofheattransfermethods,suchasconduction,convectionandradiationheattransfer.Thecalculationmethodsofrelatedproblemsalsoincluded.Thetheoreticalcontentsincludetheintroduction,thebasicprincipleofconduction,steady-stateconduction,unsteady-stateconduction,principlesofconvection,radiationheattransferandcomplexheatexchanges.Theexperimentalcontentsincludeexperimentofthermalconductivityofmaterials,experimentofheattransfercoefficientofcompoundheattransfer,experimentofemissivityofintermediatetemperatureobjectandexperimentofcompoundheattransferperformance(steamcondensation).【授课对象】本课程的授课对象为机械工程专业本科生。[TargetStudents]Thetargetstudentsofthiscoursemainlyaretheundergraduatesinmechanicalengineering.二、课程目标了解热量传递的导热、对流、辐射三种基本方式及其相关基本概念。（支撑毕业要求指标点2-1）Understandthefundamentalconceptsofheattransfer,withconsiderationofthemechanismofconduction,convectionandradiation.掌握温度场、传热量的基本分析方法和计算方法。（支撑毕业要求指标点2-1）Computebasicparametersfortemperaturefieldandheattransfer,includinganalysisandcalculation.应用热流体工程学知识对机械工程中的相关问题进行抽象、建模、分析并给出解决方案。（支撑毕业要求指标点3-1、3-2、3-3）Identify,model,analyzeandsolvethermofluidsproblemsinmechanicalengineeringusingtheconceptsofconduction,convectionandradiation.掌握常用热工测试仪器的使用方法与基本热工参数的测试技术。（支撑毕业要求指标点3-3）Testbasicthermalparametersusingthecommonlythermaltestequipmentandtechnology.三、各章节内容及学时分配第一章绪论（2学时）教学目的与要求通过本章节的讲授，使学生了解传热学的意义和任务，理解热量传递的三种基本形式：热传导、热对流、热辐射；掌握传热过程的基本计算方法和单位制。教学内容第一节 传热学的研究对象及其在热加工工艺中的应用第二节 热量传递的三种基本方式第三节 单位制考核要求了解：传热学的意义和任务。理解：热量传递的三种基本形式：热传导、热对流、热辐射。掌握：传热过程的基本计算方法和单位制。第二章导热基本原理（2学时）教学目的与要求通过本章节的讲授，使学生认知傅立叶定律和导热微分方程，求解导热微分方程的定解条件。第一类边界条件：表面恒温或等速加热的情况。第二类边界条件：恒热流加热。第三类边界条件：恒温对流加热。要求掌握温度场、温度梯度、热流密度、热流和热量等基本概念。掌握傅立叶定律的基本条件、物理意义及计算方法，了解影响热导率的主要因素，能以导热微分方程和定解条件描述导热过程。教学内容第一节 傅里叶定律第二节 导热微分方程式第三节 初始条件及边界条件考核要求了解：各种金属和非金属材料的导热特性。理解：导热微分方程的推导过程。掌握：傅立叶定律，导热微分方程式的各种表达形式及其初始和边界条件。第三章稳态导热（4学时）教学目的与要求通过讲授平壁、圆筒、球壁、长杆等导热问题实例，使学生加强对导热基本概念的深入理解，进一步从工程实际出发，认知接触热阻和形状因子的定义和表达式，了解不同条件下接触热阻和形状因子的基本特性。教学内容第一节 通过平壁的导热第二节 通过圆筒壁和球壁的导热第三节 表面有散热的长杆的导热第四节 接触热阻第五节 形状因子考核要求了解：不同条件下接触热阻和形状因子的基本特性。理解：接触热阻和形状因子的定义和表达式。掌握：平壁、圆筒、球壁、长杆等导热问题的计算方法。第四章非稳态导热（6学时）教学目的与要求通过本章的学习，使学生理解非稳态导热的基本分析方法，掌握非稳态导热问题的特点及应用、集总参数法分析非稳态问题，掌握集总参数法的应用条件及其解决问题的基本思想，了解无限大平板、半无限大平板、有限大物体导热的数学模型、分析思路及方法，理解不同形状物体加热或冷却速度以及机械加工中集中热源作用下的非稳态导热特性。教学内容第一节 非稳态导热的基本概念第二节 第一类边界条件下的一维非稳态导热第三节 伴有相变边界的一维非稳态导热第四节 第三类边界条件下的一维非稳态导热第五节 二维及三维非稳态导热第六节 集总参数法第七节 不同形状物体加热或冷却速度的比较第八节 集中热源作用下的非稳态导热考核要求了解：无限大平板、半无限大平板、有限大物体导热的数学模型、分析思路及方法，不同形状物体加热或冷却速度的比较。理解：非稳态导热的基本概念，集总参数法的应用条件及其解决问题的基本思想，集中热源作用下的非稳态导热问题计算方法。掌握：非稳态导热问题的特点及应用集总参数法分析非稳态问题。第五章对流换热（6学时）教学目的与要求通过本章的学习，使学生理解对流换热的特点，了解流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论，掌握影响对流换热的主要因素。了解对流换热微分方程，了解几个典型对流换热现象的试验关联式及其应用方法。教学内容第一节 牛顿冷却公式和表面传热系数第二节 影响对流换热的主要因素第三节 对流换热微分方程组第四节 对流换热的无量纲准则第五节 自然对流换热的计算第六节 强制对流换热的计算考核要求了解：流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论，对流换热微分方程、几个典型对流换热现象的试验关联式及其应用方法。理解：对流传热问题和边界层型对流传热问题的数学描写，理解相似原理与量纲分析。掌握：对流换热的特点、边界层中换热的特点，自然对流换热和强制对流换热的计算方法。第六章辐射换热（6学时）教学目的与要求通过本章的学习，使学生掌握辐射换热的基本概念，理解黑体间辐射换热基本性质及实际物体的辐射和吸收的基本规律，掌握黑体间辐射换热的计算和角系数的概念和计算，掌握灰体辐射换热的计算方法。了解影响实际物体表面辐射特性的因素，理解角系数的基本性质。掌握黑体间辐射换热的计算和角系数的概念和计算，掌握灰体辐射换热的计算方法。教学内容第一节 热辐射的基本概念第二节 热辐射的基本定律第三节 两个黑体间的辐射换热第四节 角系数第五节 灰体间的辐射换热第六节 气体辐射第七节 火焰辐射考核要求了解：实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系，影响实际物体表面辐射特性的因素。理解：黑体间辐射换热基本性质及实际物体的辐射和吸收的基本规律，角系数的基本性质。掌握：辐射换热的基本概念，黑体间辐射换热的计算和角系数的概念和计算，掌握灰体辐射换热的计算方法，以及气体辐射和火焰辐射特点和计算分析方法。第七章复合换热与传热（2学时）教学目的与要求通过本章的学习，使学生理解复合换热与传热过程及总传热系数，掌握传热量的计算方法及强化和削弱热量传递过程的原理和手段，能应用热阻概念综合分析热量传递过程。了解常见换热器的类型。能用对数平均温差法及传热单元数法计算间壁式换热器。教学内容第一节 复合换热