傳熱學學習要點

1、-作者xxxx-日期xxxx傳熱學學習要點【精品文檔】傳熱學楊世銘 陶文銓、文章框架1緒論1.1 傳熱學的研究內容及其在科學技術和工程上的應用1.3 傳熱過程和傳熱系數1.4 傳熱學的發(fā)展簡史和研究方法2 穩(wěn)態(tài)熱傳導2.1 導熱基本定律傅里葉定律2.2 導熱問題的數學描寫2.3 典型以為穩(wěn)態(tài)導熱問題分析解2.4 通過肋片導熱2.5 具有內熱源的一維導熱問題2.6 多穩(wěn)態(tài)導熱的求解3 非穩(wěn)態(tài)熱傳導3.1 非穩(wěn)態(tài)導熱的基本概念3.2零維問題的分析法集中參數法3.3 典型一維物體非穩(wěn)態(tài)導熱的分析解3.4 半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導熱3.5 簡單幾何形狀物體多維非穩(wěn)態(tài)導熱的分析解4 熱傳導問題的數值解法4

2、.1 導熱問題數值求解的基本思想4.2 內節(jié)點離散方程的建立方法4.3 邊界節(jié)點離散方程的建立方法4.4 非穩(wěn)態(tài)導熱問題的數值解法5 對流傳熱的理論基礎 對流傳熱概況 對流傳熱問題的數學描寫 邊界層型對流問題的數學描寫 流體外掠平板傳熱層流分析解及比擬理論6 單相對流傳熱的實驗關聯(lián)式相似原理與量綱分析 相似原理的應用 內部強制對流傳熱的實驗關聯(lián)式 外部強制對流傳熱流體橫掠單管、球體及管束的實驗關聯(lián)式大空間與有限空間內自然對流傳熱的實驗關聯(lián)式 射流沖擊傳熱的實驗關聯(lián)式7 相變對流傳熱凝結傳熱的模式膜狀凝結分析解及計算關聯(lián)式 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化 沸騰傳熱的模式 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)

3、式 沸騰傳熱的影響因素及其強化 熱管簡介8 熱輻射基本定律和輻射特性 熱輻射現象的基本概念 黑體熱輻射的基本定律 固體和液體的輻射特性 實際物體對輻射能的吸收與輻射關系 太陽與環(huán)境輻射9 輻射傳熱的計算 輻射傳熱的角系數 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱 氣體輻射的特點及計算 輻射傳熱的控制（強化與削弱） 綜合傳熱問題分析10 傳熱過程分析與換熱器計算 傳熱過程的分析計算 換熱器的類型 換熱器中傳熱過程平均溫差的計算 間壁式換熱器的熱設計 熱量傳遞過程的控制（強化與削弱）11 傳質學簡介 質擴散與斐克定律 對流傳質及表面?zhèn)髻|系數一、緒論1.1 傳熱學的研究內容及其在科學技術和工程

4、上的應用 P1傳熱學的研究內容傳熱學就是研究溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學。熱力學第二定律指出：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)的從高溫物體向低溫物體傳遞。傳熱學中的連續(xù)介質假定傳熱學的連續(xù)介質假定：將物體中的溫度，密度，速度，壓力等物理參數都是空間的連續(xù)函數。傳熱學和工程熱力學的關系傳熱學和工程熱力學的區(qū)別：工程熱力學是研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，其中不存在溫度差和壓力差，而傳熱學研究的就是溫度和壓力的差別。工程熱力學不關注時間參數，而傳熱學與時間密切相關，關注單位時間里傳遞多少內能。傳熱學在科學技術各個領域中的應用（1）強化傳熱（2）削弱傳熱（3）溫度控制吸能傳遞的三種基本方式 P4熱傳導，熱

5、對流，熱擴散熱傳導熱傳導：物體各個部分不發(fā)生位移時，依靠微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞過程，簡稱導熱。熱對流熱對流：流體的宏觀流動引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互混摻導致的熱量傳遞過程熱輻射熱輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為熱輻射1.3 傳熱過程和傳熱系數 P12傳熱過程：熱量由壁面一的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋攘黧w中去的過程稱為傳熱過程。傳熱方程式從熱流體到壁面高溫側的熱量傳遞傳熱熱阻l/(Ak)1.4 傳熱學的發(fā)展簡史和研究方法 P15傳熱學發(fā)展簡史世紀后半葉的近代發(fā)展傳熱學的研究方法1實驗測定2理論分析3數值模擬補充知識傳熱學：研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學。熱力

6、學第一定律也就是能量守恒定律。自從焦耳以無以辯駁的精確實驗結果證明機械能、電能、內能之間的轉化滿足守恒關系之后，人們就認為能量守恒定律是自然界的一個普遍的基本規(guī)律。熱力學第二定律有幾種表述方式:克勞修斯表述：熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體;開爾文-普朗克表述 不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量完全變?yōu)楣?，而不產生其他影響。熵表述隨時間進行，一個孤立體系中的熵總是不會減少。熱力學第三定律通常表述為絕對零度時，所有純物質的完美晶體的熵值為零。 或者絕對零度(T=0K即-273.15)不可達到。二、穩(wěn)態(tài)熱傳導2.1 導熱基本定律傅里葉定

7、律 P33各類物體導熱機理溫度場等溫面：同一瞬間相同溫度的各個點連成的面成為等溫面。等溫線：在任何一個二維的截面上等溫面表現為等溫線。導熱基本定律傅里葉定律：在導熱過程中，單位時間內通過給定界面的導熱量，正比于垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。導熱系數=qtxn工程導熱材料一般分類2.2 導熱問題的數學描寫 P41根據能量守恒定律和傅里葉定律來建立物體中的溫度場應當滿足的變化關系式，稱為導熱微分方程。導熱微分方程是所有導熱物體的溫度場都應滿足的通用方程，對于各個具體的問題，還必須規(guī)定相應的時間和邊界條件，稱為定解條件。導熱微分方程及相應的定解條件構

8、成了一個導熱問題完整的數學描寫。導熱微分方程描寫導熱過程共性的數學表達式定解條件第一類邊界條件：規(guī)定了邊界上的溫度值，稱為第一類邊界條件第二類邊界條件：規(guī)定了邊界上的熱流密度值，稱為第二類邊界條件第三類邊界條件：規(guī)定了邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂礹及周圍流體的溫度t，稱為第三類邊界條件。熱擴散率的物理意義以物體受熱升溫的情況為例作為分析。在物體受熱升溫的非穩(wěn)態(tài)導熱過程中，進入物體的熱量沿途不斷地被吸收而當地溫度升高，此過程持續(xù)到內部各點溫度全部扯平為止。a=/pc傅里葉定律及導熱微分方程的適用范圍基于熱擾動的傳遞速度是無限大的假定之上的，對一般工程技術中發(fā)生的非穩(wěn)態(tài)導熱問題，熱流密度不

9、是很高，過程作用的時間足夠長，過程發(fā)生的尺度也足夠大不適用情況：（1）導熱物體溫度接近0 K（2）當過程的作用時間極短（3）當過程發(fā)生的空間尺度極小2.3 典型一維穩(wěn)態(tài)導熱問題分析解 P46一維導熱：物體溫度僅在一個方向變化通過平壁的導熱1單層平壁2多層平壁通過圓筒壁的導熱1單層圓筒壁2多層圓筒壁通過球殼的導熱帶第二類，第三類邊界條件的一維導熱問題 以電熨斗底板為例變截面或變導熱系數的一維問題2.4 通過肋片導熱 P57肋片是依附于基礎表面上的擴展面，+通過肋片，有效的增加換熱面積通過等截面直肋的導熱（1）物理模型。將所研究的問題簡化為一維穩(wěn)態(tài)導熱問題（2）數學描寫。（3）分析求解。（4）解的

10、應用肋效率與肋面總效率（1）等截面直肋的效率。P62幾個公式（2）其他形狀肋片的效率。P63幾個公式肋片的選用與最小重量肋片肋片增大了導熱面積但是同時增加了導熱阻力，因此需要選擇合適的大小。接觸熱阻肋片與管子接觸會有空隙，這就是附加的接觸熱阻。2.5 具有內熱源的一維導熱問題 P70上述問題都是討論一維無內熱源的導熱問題。具有內熱源的平板導熱具有內熱源的圓柱體導熱2.6 多穩(wěn)態(tài)導熱的求解 P76穩(wěn)態(tài)導熱問題求解方法簡述（1）分析解法。分離變量法，積分法。（2）數值解法。通過計算機獲得導熱問題的數值解方法。（3）模擬方法。通過電勢的傳遞規(guī)律進行研究計算導熱量的形狀因子法形狀因子法：通過平壁、圓筒

11、壁、球壁及其他變截面以為問題導熱量的計算式總結出一個方程：求解穩(wěn)態(tài)導熱分離變量法舉例三、非穩(wěn)態(tài)熱傳導3.1 非穩(wěn)態(tài)導熱的基本概念 P112物體的溫度隨時間變化的導熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)導熱。根據物體溫度隨時間的推移而變化的特性。3.1.1 非穩(wěn)態(tài)導熱過程的特點及類型根據物體溫度隨時間的推移而變化的特性可以分兩類：1、物體的溫度隨時間的推移而逐漸趨近于恒定值；2、物體的溫度隨時間的周期性變化。本書不討論周期性非穩(wěn)態(tài)導熱。導熱微分方程解的唯一性定律導熱微分方程式連同初始條件以及邊界條件，完整的描寫了一個特定的非穩(wěn)態(tài)導熱問題。非穩(wěn)態(tài)導熱問題的求解，實質上是規(guī)定的初始條件及邊界條件下求解導熱微分方程式。第三

12、類邊界條件下Bi數對平板中溫度分布的影響B(tài)i=/1/h=h無量綱數一般被稱為特征數，習慣上又被稱為準則數。零維問題的分析法集中參數法 P117當固體內部導熱熱阻遠小于其表面的換熱熱阻時，任何時刻固體內部的溫度都趨于一致，以致可以認為整個固體在同一瞬間均處于同一溫度下。這種忽略物體內部導熱熱阻的簡化分析方法稱為集中參數法。比如測量變化著的溫度的熱電偶。集中參數法溫度場分析解各個公式P118導熱量計算式、時間常數與傅里葉數1導熱量計算公式。2 時間常數。3 傅里葉數的物理意義。傅里葉數Fo，意義為兩個時間間隔相除得到的無量綱時間。集中參數法的適用范圍及應用舉例當Bi很小時可以采用集中參數法。3.3

13、 典型一維物體非穩(wěn)態(tài)導熱的分析解 P123所謂的一維，是指：對平板，溫度僅延厚度方向變化；對圓柱和球體，溫度僅沿半徑方向變化。三種幾何形狀物體的溫度場分析解1平板2圓柱3球非穩(wěn)態(tài)導熱正規(guī)狀況階段分析解的簡化1非穩(wěn)態(tài)導熱正規(guī)狀況階段的物理概念與數學含義2正規(guī)狀況階段三個分析解的簡化表達式3一段時間間隔內所傳導的熱量計算式非穩(wěn)態(tài)導熱正規(guī)狀況階段的工程計算方法1圖線法2近似擬合公式法分析解應用范圍的推廣及Fo、Bi對過程影響的討論3.4 半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導熱 P133半無限大物體是指向上下無限延伸，并且在每一個與x坐標垂直的界面物體的溫度都相等?？梢钥醋鍪且痪S平板的一種特殊情況。三種邊界條件下半

14、無限大物體溫度場的分析解這種狀況的三類邊界條件1溫度突然變化到tw，并保持恒定2受到恒定的熱流密度加熱3與溫度為t無窮的流體進行熱交換導熱量計算式P135分析解的討論3.5 簡單幾何形狀物體多維非穩(wěn)態(tài)導熱的分析解 P138在多維導熱問題中，幾種簡單幾何形狀物體的非穩(wěn)態(tài)導熱問題的分析解，可以用幾個相應的一維非穩(wěn)態(tài)導熱分析解相乘得出，成為乘積解法。獲得無量綱溫度場的乘積解法P138二維問題的證明P140導熱量的計算P142四、熱傳導問題的數值解法 P1624.1 導熱問題數值求解的基本思想 P162基本思想對物理問題進行數值求解的基本思想可以概括為：把原來在時間空間坐標系中的連續(xù)的物理量的場，如導

15、熱物體的溫度場，用有限個離散點上的值的集合來代替，通過求解按一定方法建立起來的關于這些值的代數方程，來獲得離散點上被求的物理量的值，。這些離散點上的被求物理量的值的集合成為該物理量的數值解。導熱問題數值求解基本步驟1建立控制方程及定解條件2區(qū)域離散化3建立節(jié)點物理量的代數方程4設立迭代初場5求解代數方程組4.2 內節(jié)點離散方程的建立方法 P165建立節(jié)點離散方程的方法有泰勒級數展開法，及熱平衡法兩種。泰勒級數展開法熱平衡法對每個節(jié)點所代表的元體用傅里葉導熱定律直接寫出其能量表達式。4.3 邊界節(jié)點離散方程的建立方法 P 167邊界節(jié)點離散方程的建立第一類邊界問題直接求解，二三類則補充相應的未知

16、量的代數方程（如溫度）處理不規(guī)則區(qū)域的階梯型逼近法當計算區(qū)域中出現曲線邊界或者傾斜的邊界時，常常用階梯型折線代替真實邊界，然后再用上述方法建立離散方程。求解代數方程的迭代法直接解法：通過有限次運算獲得代數方程的精確解方法。迭代法：在迭代法中先對要計算的場做出假設，在迭代計算過程中不斷改進，直到計算前的假定值與計算后的結果相差小到允許值為止。1高斯-賽德爾迭代法2迭代過程是否以收斂的依據3迭代過程能否收斂的判據4.4 非穩(wěn)態(tài)導熱問題的數值解法 P 174非穩(wěn)態(tài)導熱與穩(wěn)態(tài)導熱的主要差別在于控制方程多了一個非穩(wěn)態(tài)項，而其擴散項的離散方法和穩(wěn)態(tài)導熱一樣的。時間-空間區(qū)域的離散化一維平板非穩(wěn)態(tài)導熱的顯示

17、格式非穩(wěn)態(tài)導熱方程的隱式格式邊界節(jié)點的離散方程一維平板非穩(wěn)態(tài)導熱顯示格式離散方程組及穩(wěn)定分析五、 對流傳熱的理論基礎P1975.1 對流傳熱概況對流傳熱的影響因素1流體流動起因2流體有無相變3流體的流動狀態(tài)4換熱表面的幾何因素5流體的物理性質對流傳熱現象的分類1有相變（1）混合對流（2）強制對流內部流動A圓管內強制對流傳熱B其它形狀截面管道內的對流傳熱外部流動A外掠平板的對流傳熱B外掠單根圓管的對流傳熱C外掠圓管管束的對流傳熱D外掠其他截面形狀柱體的對流傳熱E射流沖擊傳熱（3）自然對流大空間自然對流有限空間自然對流2無相變（1）沸騰傳熱大容器沸騰管內沸騰（2）凝結傳熱管外凝結管內凝結對流傳熱的

18、研究方法1分析法2實驗法3比擬法4數值法如何從解得的溫度場來計算表面?zhèn)鳠嵯禂?.2 對流傳熱問題的數學描寫對流問題完整的數學描寫包括對流傳熱微分方程組以及定解條件，牽著包括質量守恒，動量守恒以及能量守恒這三大守恒定律的數學表達式。運動流體能量方程的推導1簡化假設2微元體能量收支平衡的分析3幾點討論對流傳熱問題完整的數學描寫1控制方程式2定解條件5.3 邊界層型對流問題的數學描寫流動邊界層及其厚度的定義1流動邊界層及其厚度的定義2流動邊界層內流態(tài)3流動邊界層內的動量方程熱邊界層及熱邊界層能量方程1熱邊界層及厚度定義2熱邊界層內的能量方程二維、穩(wěn)態(tài)邊界層型對流傳熱問題的數學描述5.4 流體外掠平板

19、傳熱層流分析解及比擬理論流體外掠等溫平板傳熱的層流分析解特征數方程努賽爾數Nu普朗特數的物理意義普朗特數表征了流動邊界層與熱邊界層的相對大小。比擬理論的基本思想比擬理論：利用兩個不同物理現象之間在控制方程方面的類似性，通過測定其中一種現象的規(guī)律而獲得另一種現象的基本關系的方法。如測電流推斷熱流。比擬理論的應用六、單相對流傳熱的實驗關聯(lián)式相似原理與量綱分析 物理現象相似的定義6.1.2 相似原理的基本內容導出相似特征數的兩種方法6.2 相似原理的應用應用相似原理指導實驗的安排及試驗數據的整理應用相似原理指導?；瘜嶒瀾锰卣鲾捣匠虘⒁庵c對實驗關聯(lián)式準確性的正確認識6.3 內部強制對流傳熱的實驗

20、關聯(lián)式管槽內強制對流流動與換熱的一些特點管槽內湍流強制對流傳熱關聯(lián)式管槽內層流強制對流傳熱關聯(lián)式微細尺度通道內的流動與傳熱及納米流體傳熱簡介6.4 外部強制對流傳熱流體橫掠單管、球體及管束的實驗關聯(lián)式流體橫掠單管的實驗結果流體外掠球體的實驗結果流體橫掠管束的實驗結果大空間與有限空間內自然對流傳熱的實驗關聯(lián)式自然對流傳熱現象的特點自然對流傳熱的控制方程與相似特征數大空間自然對流傳熱的實驗關聯(lián)式有限空間自然對流傳熱的實驗關聯(lián)式混合對流簡介6.6 射流沖擊傳熱的實驗關聯(lián)式單個圓噴嘴射流的流場結構及局部換熱強度的分布特點單個圓噴嘴射流平均傳熱特性的實驗關聯(lián)式單個狹縫噴嘴射流平均傳熱特性的實驗關聯(lián)式七、

21、 相變對流傳熱凝結傳熱的模式珠狀凝結與膜狀凝結凝結液構成了蒸汽與壁面間的主要熱阻膜狀凝結是工程設計的依據膜狀凝結分析解及計算關聯(lián)式.努賽爾的蒸汽層流膜狀凝結分析解豎直管與水平管的比較及實驗驗證湍流膜狀凝結7.3 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化膜狀凝結的影響因素膜狀凝結的強化原則和技術7.4 沸騰傳熱的模式大容器飽和沸騰的三個區(qū)域臨界熱流密度機器工程意義氣泡動力學簡介7.5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式大容器飽和核態(tài)沸騰的無量綱關聯(lián)式大容器飽和沸騰臨界熱負荷計算式大容器飽和液體膜態(tài)沸騰傳熱計算7.6 沸騰傳熱的影響因素及其強化 影響沸騰傳熱的因素強化沸騰傳熱的原則技術7.7 熱管簡介熱管的工作原理熱管殼體材料與工質之間的相容性熱管中各個傳遞環(huán)節(jié)的熱阻分析八、熱輻射基本定律和輻射特性8.1 熱輻射現象的基本概念輻射定義及區(qū)別于導熱對流的特點從電磁波角度描述熱輻射的特性8.2 黑體熱輻射的基本定律斯忒潘玻耳茲曼定律普朗克定律蘭貝特定律8.3 固體和液體的輻射特性實際物體的輻射力實際物體的光譜輻射力實際物體的定向輻射強度8.4 實際物體對輻射能的吸收與輻射關系實際物體的吸收比灰體的概念及其工程應用吸收比與發(fā)射率的關系基爾霍夫定律溫室效應8.5 太陽與環(huán)境輻射太陽常數太陽能闖過大氣層時的削弱環(huán)境輻射部分物體對太陽能的吸收比九、輻射傳熱的計算9.1 輻射傳熱的角系