《傳熱學》教學大綱

《傳熱學》教學大綱英文名稱：HeatTransfer學時：48 學分：4課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課課程類別：理論課先修課程：高等數(shù)學、大學物理、工程熱力學、流體力學開課學期：第五學期適用專業(yè)：機械類一、課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)：《傳熱學》主要研究熱量傳遞的機理、規(guī)律、計算和測試方法等基礎(chǔ)理論知識，是能源動力、機械及建環(huán)類院系本科生的基礎(chǔ)課，也是當今科學技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的最重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。該課程立足于清華大學建設(shè)世界一流大學的目標，課程建設(shè)的指導(dǎo)思想是力求將本課程的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和前瞻性等特點有機地結(jié)合起來，并體現(xiàn)在教學內(nèi)容的安排和教學方法的實現(xiàn)中；以訓練學生創(chuàng)新性思維、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為出發(fā)點，調(diào)整課程內(nèi)容、進一步改進教學方法、注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學生具備一定的理論聯(lián)系實際、分析和解決實際熱工問題的能力及創(chuàng)新能力；擴大學生的知識面，為以后研究生階段的學習和研究以及今后解決國民經(jīng)濟及高新科技發(fā)展中的熱工問題打下一定的理論基礎(chǔ)。同時，加強高水平教材建設(shè)。課程建設(shè)的總體目標是建設(shè)與世界一流大學同類課程水平相當?shù)摹⒕哂兄袊厣木氛n程；建設(shè)一支包括外籍教師在內(nèi)的7～8人的結(jié)構(gòu)合理、學術(shù)水平高、熱心本科生教學、學術(shù)思想活躍、能熟練地進行雙語教學的教師隊伍。二、課程的基本要求：傳熱學內(nèi)容的實質(zhì)是三大守衡，即質(zhì)量守衡，動量守衡與能量守衡；是自然界最基本的定律在熱傳遞現(xiàn)象中的體現(xiàn)。用三大守衡的思想貫穿全篇，使學生掌握溫度場與熱流密度場的概念和三種基本傳熱方式的計算方法；使學生能夠應(yīng)用質(zhì)量，動量與能量平衡的概念將研究對象的傳熱問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，列出方程（含微分方程），對部分簡單邊界條件問題能夠求出解析解；并能夠應(yīng)用運用有限差分法在計算機上求解一般的傳熱問題。緒論基本概念：導(dǎo)熱、熱對流、對流換熱、熱輻射、輻射換熱、傳熱、熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)、換熱系數(shù)。第一章導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)（1）導(dǎo)熱的基本概念及傅里葉定律：溫度場、等溫面、等溫線、溫度梯度、傅里葉定律；（2）導(dǎo)熱系數(shù)；（3）導(dǎo)熱微分方程式：直角坐標系和圓柱坐標系一維導(dǎo)熱微分方程式；單值性條件。第二章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（1）通過平壁的導(dǎo)熱：熱流密度、溫度分布；（2）通過復(fù)合平壁的導(dǎo)熱；（3）通過圓筒壁的導(dǎo)熱：臨界熱絕緣直徑；（4）通過肋壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：能量方程式、肋壁溫度分布、肋片效率；（5）通過接觸面的導(dǎo)熱：接觸熱阻及影響因素；（6）二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題：形狀因子。第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（1）非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念：瞬態(tài)導(dǎo)熱、周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；（2）無限大平壁的加熱與冷卻：分析解法、Fo及Bi對溫度分布的影響、集總參數(shù)法；（3）半無限大物體的瞬態(tài)導(dǎo)熱（4）其他形狀物體的瞬態(tài)導(dǎo)熱第四章導(dǎo)熱問題數(shù)值解法基礎(chǔ)（1）建立離散方程的方法：有限差分、熱平衡法；（2）穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的數(shù)值計算；（3）非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的數(shù)值計算；第五章對流換熱分析（1）對流換熱基本概念、特點及分類；（2）對流換熱過程的微分方程組；（3）邊界層概念、邊界層換熱微分方程組及求解；（4）動量傳遞和熱量傳遞的類比；（5）相似理論在對流換熱中的應(yīng)用：相似原理、實驗數(shù)據(jù)處理方法、實驗方法。第六章單相流體對流換熱（1）管內(nèi)受迫對流換熱：進口段、流態(tài)、計算；（2）外掠圓管對流換熱：單管、管束；（3）自然對流換熱與混合對流換熱：基本概念。第七章凝結(jié)與沸騰換熱（1）凝結(jié)換熱：基本概念、計算；（2）沸騰換熱：基本概念、計算；（3）熱管。第八章熱輻射的基本定律（1）熱輻射的基本概念；（2）黑體的輻射特性及幾個基本定律；（3）實際物體的輻射特性、灰體。第九章輻射換熱計算（1）黑表面間的輻射換熱；（2）角系數(shù)及確定方法；（3）灰表面間的輻射換熱；（4）氣體輻射、太陽輻射（基本概念）。第十章傳熱過程與換熱器（1）傳熱過程：通過肋壁的傳熱；（2）有復(fù)合換熱時的傳熱計算；（3）傳熱的增強和削弱；（4）換熱器的型式和基本構(gòu)造；（5）平均溫度差；（6）換熱器計算。三、課程的講授內(nèi)容及學時分配：一、緒論（3學時）1.概述2.熱量傳遞的基本方式3.傳熱過程簡介二、導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)（3學時）1.導(dǎo)熱的基本概念及傅里葉定律2.導(dǎo)熱系數(shù)3.導(dǎo)熱微分方程式4.導(dǎo)熱過程的單值性條件三、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（4學時）1.通過平壁的導(dǎo)熱2.通過復(fù)合平壁的導(dǎo)熱3.通過圓筒壁的導(dǎo)熱4.通過肋壁的導(dǎo)熱5.通過接觸面的導(dǎo)熱6.二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題四、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（4學時）1.非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念2.無限大平壁的瞬態(tài)導(dǎo)熱3.半無限大物體的瞬態(tài)導(dǎo)熱4.其他形狀物體的瞬態(tài)導(dǎo)熱5.周期性變化邊界條件下非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱五、導(dǎo)熱問題數(shù)值解法基礎(chǔ)（3學時）1.建立離散方程的方法2.穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的數(shù)值計算3.非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的數(shù)值計算4.控制容積積分法簡介導(dǎo)熱部分小結(jié)、二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論解及作業(yè)講評、課堂討論與習題課（2學時）六、對流換熱分析（6學時）1.對流換熱概述2.對流換熱微分方程組3.邊界層換熱微分方程組的解4.邊界層換熱積分方程組及求解5.動量傳遞和熱量傳遞的類比（湍流）6.相似理論基礎(chǔ)七、單相流體對流換熱及準則關(guān)聯(lián)式（4學時）1.管內(nèi)受迫對流換熱2.外掠圓管流動換熱3.自然對流與混合對流換熱八、凝結(jié)與沸騰換熱（3學時）1.凝結(jié)換熱2.沸騰換熱3.熱管對流換熱部分小結(jié)、最新研究工作介紹及作業(yè)講評、課堂討論與習題課（2學時/2學時）九、熱輻射的基本定律（3學時）1.熱輻射的基本概念2.黑體的輻射特性3.實際物體的輻射特性、灰體十、輻射換熱計算（4學時）1.黑表面間的輻射換熱2.角系數(shù)的確定方法3.灰表面間的輻射換熱4.氣體輻射5.太陽輻射熱輻射與輻射換熱部分小結(jié)、輻射換熱實例及作業(yè)講評與習題課（2學時）十一、傳熱和換熱器（4學時）1.通過肋壁的傳熱2.有復(fù)合換熱時的傳熱計算3.傳熱的增強和削弱4.換熱器的型式和基本構(gòu)造5.平均溫度差6.換熱器計算7.換熱器性能評價簡述總結(jié)（1學時）四、課程的作業(yè)與實驗：（一）習題做習題是鞏固學得理論知識的重要手段，本課教學安排大量習題。每章約有5道題目，總計約70題。各章節(jié)習題量安排具體見學時分配表。（二）實驗本課安排四個教學實驗，每個兩學時。圓球法測定絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗要求：鞏固穩(wěn)定導(dǎo)熱的基本理論，學習用圓球法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的實驗方法，學會利用標準電阻精密測量電功率的方法以及用熱電偶測溫的技術(shù)；測量試材的導(dǎo)熱系數(shù)，以及隨溫度變化的規(guī)律。2、常功率平面熱源法同時測定絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ和導(dǎo)溫系數(shù)實驗要求：測定材料（不良導(dǎo)熱體）的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱；學習非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測定材料導(dǎo)熱性能的實驗原理和方法。3、空氣橫掠單圓管時強迫對流換熱實驗實驗要求：了解試驗裝置、熟悉空氣流速及管壁溫度的測量方法，掌握測量儀表的使用方法；測定空氣橫掠單管平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并將結(jié)果整理成準則關(guān)系式；掌握強制對流換熱試驗數(shù)據(jù)的處理及誤差分析方法。4、水平圓管外表面空氣自然對流換熱實驗實驗內(nèi)容及要求：測定空氣與水平圓柱體之間發(fā)生自然對流換熱時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并將結(jié)果整理成準則關(guān)系式；學習本實驗中的測試技術(shù)（熱電偶測壁溫、測量熱量）及試驗數(shù)據(jù)的整理方法；學習對試驗結(jié)果進行誤差分析的方法。五、課程的學時分配及說明：學時分配表課內(nèi)講授教學各環(huán)節(jié)實驗上機設(shè)計作業(yè)緒論35第一章導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)35第二章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱49第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱49第四章導(dǎo)熱數(shù)值解法基礎(chǔ)34導(dǎo)熱部分小結(jié)2第五章對流換熱分析6210第六章單相流體對流換熱412第七章凝結(jié)于沸騰換熱34對流換熱部分小結(jié)2第八章熱輻射的基本定律36第九章輻射換熱計算448輻射部分小結(jié)2第十章傳熱與換熱器44課程總結(jié)1總

計48676六、課程主要參考書：本課程的教材選用章熙民、任澤霈等編著的《傳熱學》（第五版），該書第二版于1988年獲全國高等學校優(yōu)秀教材獎，是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。參考資料的目錄如下：《傳熱學》（第四版）楊世銘、陶文銓主編（該書獲2001年國家級教學成果二等獎，2001年中國高等學?？茖W技術(shù)獎一等獎）《FundamentalsofHeatandMassTransfer》，F(xiàn).P.Incropera,D.P.DeW