工程熱力學(xué)復(fù)習(xí)2傳熱學(xué)811章

1、第二篇 傳熱學(xué)第八章熱量傳遞的基本方式熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流， 熱輻射。81熱傳導(dǎo)在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間， 由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn) 動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱特點(diǎn)：1.平壁兩表面維持均勻恒定不變溫度；2.平壁 溫度只沿垂直于壁面的方向發(fā)生變化；3.平壁溫度不隨時(shí)間改變；f4.熱量只沿著垂直于壁面的方 ,向傳遞。加【熱流量】：?jiǎn)挝粫r(shí)間導(dǎo)過(guò)的熱量，wq = 丹 tt c中二 a aw15w2九：材料的【熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))1：表明材料的導(dǎo)熱能力，w/(m k)?！緹崃髅芏取縬=at / - ：二，=a.5q:單位時(shí)間通過(guò)單位面積的熱流量

2、tw1 tw2tw26t/-tc t -tcw1 w2 , w1 w2r6r =a九稱為平壁的【導(dǎo)熱熱阻】，表示物體對(duì)導(dǎo)熱的阻力，單位為k/w82熱對(duì)流熱對(duì)流：由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)使不同溫度的流體相 對(duì)位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。【對(duì)流換熱】：流體萬(wàn)相互接觸的固體表面之間的 熱量傳遞現(xiàn)象，是導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種基本傳熱方 式共同作用的結(jié)果?！九ｎD冷卻公式】：中=ah(tw - tf)q = h(tw - tf)h稱為對(duì)流換熱的【表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)】(習(xí)慣稱為 對(duì)流換熱系數(shù))，單位為w/(m2k)o【對(duì)流換熱熱阻：】：=ah(tw - tf) =tw - tfahtw - tfrhrh稱為對(duì)流換熱熱阻,單位為

3、w/ko表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素：h的大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，與以下因素有關(guān)：(1)容等);(2)(3)流體的物性（熱導(dǎo)率、粘度、密度、比熱流體流動(dòng)的形態(tài)（層流、紊流）(4)(5)流動(dòng)的成因（自然對(duì)流或受迫對(duì)流）物體表面的形狀、尺寸；換熱時(shí)流體有無(wú)相變（沸騰或凝結(jié)）83熱輻射輻射現(xiàn)象的兩種理論電磁理論與量子理論 電磁波的數(shù)學(xué)描述：c vc 一某介質(zhì)中的光速，c = c0/nc0 = 3 10 m/s為真空中的光速;n為介質(zhì)的折射率。大一波長(zhǎng)，常用卜m為單位，怏m = 10-6 m。v 一頻率，單位1/s。電磁波的波譜：7 射線：九 5x10-5 vmx 射線：5x 10-7 x 5x10-2 n

4、 m紫外線：4x10-3大 0.38 nm可見光：0.38 算 0.76 nm紅外線：0.76 ? 103 nm微波：103九 106 5微波爐就是利用微波加熱食物，因微波可穿透 塑料、玻璃和陶瓷制品，但會(huì)被食物中水分子吸 收，產(chǎn)生內(nèi)熱源，使食品均勻加熱?！緹彷椛洹坑捎谖矬w內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。日常生活熱輻射的波長(zhǎng)主要在0.1m至 100nm之間，包括部分紫外線、可見光和部分紅 外線三個(gè)波段。熱輻射的主要特點(diǎn)：(1)所有溫度大于0 k的物體都具有發(fā)射熱輻 射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強(qiáng)。(2)所有實(shí)際物體都具有吸收熱輻射的能力，(3)熱輻射不依靠中間媒介，

5、可以在真空中傳播；(4)物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞 是雙向的?！据椛鋼Q熱】：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。輻射換熱的主要影響因素：(1)物體本身的溫度、表面輻射特性；(2)物體的大小、幾何形狀及相對(duì)位置傳熱過(guò)程(1)左側(cè)的對(duì)流換熱二 ahi(twi一 tfi);tw1 一 t f 1twi 一 tf1ah1(2)平壁的導(dǎo)熱t(yī) t c.：，= ahw_w21dt / - t c1w1 1w26t - tw1iw2rzuaa ahl(tw2 - tf2)=tw2 - tf21tw2 - tf2rh2(3)右側(cè)的對(duì)流換熱ah2在穩(wěn)態(tài)情況下，以上三式的熱流量相同，可得中= tf1 - tf2

6、二tf1 - tf2 二tf2，二，用i r r.2rah1 aah,式中rk = rh1 + r + rh2 , rk稱為【傳熱熱阻】。11 1【傳熱系數(shù)】 h1九h2單位為w/(m 2 k)通過(guò)單位面積平壁的【熱流密度】為q = k(t一 一 tf2)=tf1 - tf211+ +h1h2第九章導(dǎo)熱9-1導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)1.導(dǎo)熱的基本概念(1)【溫度場(chǎng)】在時(shí)刻，物體內(nèi)所有各點(diǎn)的溫 度分布稱為該物體在該時(shí)刻的溫度場(chǎng)。一般溫度 場(chǎng)是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)?！痉欠€(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)】：溫度隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)，其 中的導(dǎo)熱稱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱?！痉€(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)】：溫度不隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)，其 中的導(dǎo)熱稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。dt j

7、t =f (x,y,z) =0一維溫度場(chǎng) t =f(x, ) t =f (x)二維溫度場(chǎng) t =f(x,y,力 t = f(x,y)三維溫度場(chǎng) t =f (x,y,z,) t =f(x,y,z)(2)等溫面與等溫線在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)連成的線或 面稱為等溫線或等溫面。等溫面上任何一條線都 是等溫線。如果用一個(gè)平面和一組等溫面相交，就 會(huì)得到一組等溫線。溫度場(chǎng)可以用一組等溫面或 等溫線表示。等溫面與等溫線的特征：同一時(shí)刻，物體中溫度不同的等溫面或等溫線 不能相交；在連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)條件下，等溫面（或 等溫線）或者在物體中構(gòu)成封閉的曲面（或曲線）， 或者終止于物體的邊界，不可能在物體中中

8、斷。（3）溫度梯度在溫度場(chǎng)中，溫度沿x方向的變化率（即偏導(dǎo)數(shù)）。等溫面法線方向的溫度變化率最大，溫度變化最0t . . dtj劇烈。 gradt = 1,1, i kdx oy pzdd（4）熱流密度q =熱流密度矢m的方向指向溫度降低的方向。在宜角坐標(biāo) 系中，熱流密度矢m可表示為q=： 一。卜2 .導(dǎo)熱的基本定律傅里葉定律，指出了導(dǎo)熱熱流密度矢m與溫度梯度之間 的關(guān)系。對(duì)于各向同性物體，付里葉定律表達(dá)式為dt q=-入 gradt=-入-n dn傅里葉定律表明,導(dǎo)熱熱流密度的大小與溫度梯度的絕 對(duì)值成正比，其方向與溫度梯度的方向相反。標(biāo)量形式的付里葉定律表達(dá)式為： dt q=-入 q亦對(duì)于各

9、向同性材料，各方向上的熱導(dǎo)率兒相等。傅里葉定律的適用條件：（1）傅里葉定律只適用于各向同性物體。對(duì)于各向異 性物體，熱流密度矢量的方向不僅與溫度梯度有 關(guān)，還與熱導(dǎo)率的方向性有關(guān),因此熱流密度矢量 與溫度梯度不一定在同一條直線上。（2）傅立葉定律適用于工程技術(shù)中的一般穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn) 態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，對(duì)于極低溫（接近于0k）的導(dǎo)熱問(wèn)題和極短時(shí)間產(chǎn)生極大熱流密度的瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程,如大功率、短脈沖（脈沖寬度可達(dá)10-1210-15s）激光瞬態(tài)加熱等 傅立葉定律不再適用。3 .熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。根據(jù)傅里葉定律表達(dá)式，物質(zhì)的熱導(dǎo)率在數(shù)值上具有下述特點(diǎn)：（1）對(duì)于同一種物質(zhì)，固態(tài)的熱導(dǎo)率值

10、最大，氣態(tài)的熱 與率值最??；（2） 一般金屬的熱與率大于非金屬的熱 與率；（3）與電性能好的金屬,其與熱性能也好； （4）純金屬的熱與率大于它的合金；（5）對(duì)于各向異性物 體，熱導(dǎo)率的數(shù)值與方向有關(guān)；（6）對(duì)于同一種物質(zhì)， 晶體的熱導(dǎo)率要大于非定形態(tài)物體的熱導(dǎo)率 。溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響：純金屬的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而減小。一般合金和非金屬的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。大多數(shù)液體（水和甘油除 外）的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而減小。純金屬的熱導(dǎo)率隨溫 度的升高而減小。在工業(yè)和日常生活中常見的溫度范圍內(nèi)，絕大多數(shù)材料的熱導(dǎo)率可以近似地認(rèn)為隨溫度線性變化 ,表示為：入=, i/,%為按上式計(jì)算的0c下的熱導(dǎo)率值保

11、溫材料（或稱絕熱材料）：用于保溫或隔熱的材料。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度低于350c 時(shí)熱導(dǎo)率小于0.12 w/（mk）的材料稱為【保溫材料】 多孔材料的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。多孔材料的熱 導(dǎo)率與密度和濕度有關(guān)。一般情況下密度和濕度愈大， 熱導(dǎo)率愈大。,產(chǎn)獲稱為熱擴(kuò)散率,也稱導(dǎo)溫系數(shù),單位為m2/so卜其大小反映物體被瞬態(tài)加熱或冷卻時(shí)溫度變化的快慢。w/m,kw/mrkw/mrkw/m- kw/mvkw/mk典型材料熱茬率的數(shù)值范圍純金屬50-415合金12-120非金屬固體1-40液體（非金屬）0.17-0.7絕熱材料0.03-0.12氣體0.007-0.174 .導(dǎo)熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述（數(shù)學(xué)模型）

12、建立數(shù)學(xué)模型的目的：求解溫度場(chǎng)t =f（x,y,z,）導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型的組成：導(dǎo)熱微分方程式 +單值性條件（1）導(dǎo)熱微分方程式的導(dǎo)出（2）依據(jù)：能量守恒和傅里葉定律。假設(shè)：1）物體由各向同性的連續(xù)介質(zhì)組成；2）有內(nèi)熱源，強(qiáng)度為 6,表示單位時(shí)間、單位體積內(nèi)的生成熱，單位為 w/m3 。步驟：1）根據(jù)物體的形狀選擇坐標(biāo)系,選取物體中的微元體作為研究對(duì)象；2）根據(jù)能量守恒,建立微元體的熱平衡方程式；3）根據(jù)傅里葉定律及已知條件,對(duì)熱平衡方程式 進(jìn)行歸納、整理，最后得由導(dǎo)熱微分方程式。單值性條件一般包括：幾何條件、物理?xiàng)l件、時(shí)問(wèn)條件、邊界條件1)幾何條件說(shuō)明參與導(dǎo)熱物體的幾何形狀及尺寸。幾何條件決定溫

13、度場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)和分析時(shí)所采用的坐標(biāo)系。2)物理?xiàng)l件說(shuō)明導(dǎo)熱物體的物理性質(zhì)，例如物體有無(wú)內(nèi)熱源以及內(nèi) 熱源的分布規(guī)律，給出熱物性參數(shù) (九、p、c、a等)的數(shù) 值及其特點(diǎn)等。3)時(shí)間條件說(shuō)明導(dǎo)熱過(guò)程時(shí)間上的特點(diǎn),是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱還是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo) 熱。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,應(yīng)該給出過(guò)程開始時(shí)物體內(nèi)部的溫 度分布規(guī)律(稱為初始條件)：tm=f(x,y,z)4)邊界條件(a)第一類邊界條件(b)第二類邊界條件(c)第三類邊界條件目前應(yīng)用最廣泛的求解與熱問(wèn)題的方法：(1)分析解法;(2)數(shù)值解法；(3)實(shí)驗(yàn)方法。這也是求解所有傳熱學(xué) 問(wèn)題的三種基本方法。第十章對(duì)流換熱1 .牛頓冷卻公式=a hq = h( tw-t

14、f)h一整個(gè)固體表面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；tw 一固體表面的平均溫度；tf流體溫度，對(duì)于外部繞流，tf取遠(yuǎn)離壁面的流體主流 溫度；對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，tf取流體的平均溫度。2 .對(duì)流換熱的影響因素對(duì)流換熱是流體的導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果，主要有以下五個(gè)方面：(1)流動(dòng)的起因：影響流體的速度分布與溫度分布。自然對(duì)流換熱一般的說(shuō)，自然對(duì)流的流速較低，因此自然對(duì)流換熱通常要比強(qiáng)迫對(duì)流換熱弱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要小。(2)流動(dòng)的狀態(tài)層流：流速緩慢，流體分層地平行于壁面方向流動(dòng)，j垂宜于流動(dòng)方向上的熱m傳遞主要靠分子擴(kuò)散(即導(dǎo)熱)。i紊流：流體內(nèi)存在強(qiáng)烈的脈動(dòng)和旋渦，使各部分流體之間迅速混合，因此紊流

15、對(duì)流換熱要比層流 對(duì)流換熱強(qiáng)烈，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。(3)流體有無(wú)相變沸騰換熱凝結(jié)換熱(4)流體的物理性質(zhì)1)熱導(dǎo)率九，w/(m k),九愈大，流體導(dǎo)熱熱阻愈小， 對(duì)流換熱愈強(qiáng)烈；2)密度 p, kg/m33)比熱容c, j/(kgk)。 pc反映單位體積流體熱容量 的大小，其數(shù)值愈大，通過(guò)對(duì)流所轉(zhuǎn)移的熱量愈多，對(duì) 流換熱愈強(qiáng)烈；4)動(dòng)力粘度 ; pas；運(yùn)動(dòng)粘度 一m2/so流體的粘度影響速度分布與流態(tài)，因此影響對(duì)流換熱；5)體脹系數(shù)k 1o對(duì)于理想氣體，pv=rt,代入上式，可得口 =1/to 體脹系數(shù)影響重力場(chǎng)中的流體因密度差而產(chǎn)生的浮升 力的大小，因此影響自然對(duì)流換熱。定性溫度對(duì)于同一種不

16、可壓縮牛頓流體，其物性參數(shù)的數(shù)值 主要隨溫度而變化。用來(lái)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度。 稱 為定性溫度。在分析計(jì)算對(duì)流換熱時(shí)，定性溫度的取法 取決于對(duì)流換熱的類型。(5)換熱表面的幾何因素?fù)Q熱表面的幾何形狀、尺寸、相對(duì)位置以及表面粗糙度 等幾何因素將影響流體的流動(dòng)狀態(tài)， 因此影響流體的速度分布和溫度分布，對(duì)對(duì)流換熱產(chǎn)生影響。影響對(duì)流換熱的因素很多，表而傳熱系數(shù)是很多變量的 函數(shù)，h=f(u, jtf,入 p c, t,川小)黨特征長(zhǎng)度(定型尺寸)小:幾何因素分析法 y數(shù)值法 試驗(yàn)法比擬法3.對(duì)流換熱的主要研究方法理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合是目前被廣泛采用的解決復(fù)雜對(duì)流換熱問(wèn)題的主要研究方式。

17、10-2對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)描述1 .對(duì)流換熱微分方程假設(shè)：(a)流體為連續(xù)性介質(zhì)。當(dāng)流體的 分子平均自由行程l與熱 壁面的特征長(zhǎng)度l相比非常小，一般 努森數(shù) kn= l /l = 10-3時(shí)，流體可近似為連續(xù)性介質(zhì)。(b)流體的物性參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度變化；(c)流體為不可壓縮性流體。通常流速低于四分之一聲 速的流體可以近似為不可壓縮性流體；(d)流體為牛頓流體，印切向應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為 du線性，遵循牛頓公式：t =t t（e）流體無(wú)內(nèi)熱源，忽略粘性耗散產(chǎn)生的耗散熱；（f）二維對(duì)流換熱。緊靠壁而處流體靜止，熱量傳遞只 能靠導(dǎo)熱，入，j2 .描寫速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的微分方程。011 0v1）連續(xù)性

18、微分方程（質(zhì)h守恒）+ =00y2）動(dòng)m微分方程（動(dòng)m守恒）、 du du 加 p dp d2ux萬(wàn)向:。狗+眩+7尸k最+啕可凝）p濘去曬、- flv 0v r op d2v d2vy 萬(wàn)向：kku+v7=7瓶+混dv r gp 也p=y-加+曬3）能m微分方程（能m守恒）c“/0t a優(yōu)、1/由 02tpip（ +u. +v ）=a（+ ）3.對(duì)流換熱的單值性條件1）幾何條件說(shuō)明對(duì)流換熱表面的幾何形狀、尺寸，壁而與流體 之間的相對(duì)位置，壁面的粗糙度等。2）物理?xiàng)l件說(shuō)明流體的物理性質(zhì)、物性參數(shù)的數(shù)值及其變化規(guī)律、有無(wú)內(nèi)熱源以及內(nèi)熱源的分布規(guī)律等。3)時(shí)間條件說(shuō)明對(duì)流換熱過(guò)程是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)。

19、對(duì)于非穩(wěn)態(tài),應(yīng)給由初始條件(過(guò)程開始時(shí)的速度、溫度場(chǎng))4)邊界條件第一類邊界條件給出邊界上的溫度分布規(guī)律：tw=f(x,y,z,)第二類邊界條件給出邊界上的熱流密度分布規(guī)律：(w=f(x,y,z,)第十一章輻射換熱1 .吸收、反射與透射投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能。g w/m2吸收輻射：ga 反射輻射：gp透射輻射：ga = 吸收比 g反射比gg透射比g: g： g = g如果投入輻射是某一波長(zhǎng) 九的輻射能g兒，則: g.? _g二 gggg光譜吸收比光譜反射比光譜透射比0:g d -0 :、gd0 g da = p = 九 二g仲.:g?.d?.jg沖.注后、：(1) 限p，f，屬于物體的輻射特性，取決于物體的 種類、溫度和表面狀況，是波長(zhǎng)的函數(shù)?！?工不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射能的波長(zhǎng)分布有關(guān)。(2)固體和液體對(duì)輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應(yīng)。金屬：表面層厚度小于1卜m;絕大多數(shù)非金 屬：表面層厚度小于 1