發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱過程

發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱過程第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.1熱量傳遞過程概述當(dāng)一個(gè)物體內(nèi)部存在溫差或兩個(gè)物體之間存在溫差時(shí)就會(huì)發(fā)生熱量從物體某一部分傳至另一部分或熱量從一個(gè)物體傳至另一個(gè)物體的現(xiàn)象，這就是熱傳遞現(xiàn)象。汽油機(jī)和柴油機(jī)缸內(nèi)燃?xì)獾臏囟群蛪毫Φ诙?，共七十九頁?022年，8月28日

熱量傳遞的三種基本方式1導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a必須有溫差；b物體直接接觸；c依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日(1)定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。2對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)(2)對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)：

a導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程

b必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差

c壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日(1)定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象3熱輻射(Thermalradiation)(2)

特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.2

導(dǎo)熱過程

溫度場(chǎng)是某時(shí)刻空間所有各點(diǎn)溫度分布的總稱，它是時(shí)間和空間的函數(shù)。等溫面：同一時(shí)刻、溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)連接起來所構(gòu)成的面等溫線：用一個(gè)平面與各等溫面相交，在這個(gè)平面上得到一個(gè)等溫線簇第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.2.2導(dǎo)熱機(jī)理氣體的導(dǎo)熱：由于分子的熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞時(shí)發(fā)生的能量傳遞。分子質(zhì)量小的氣體（H2、He）熱導(dǎo)率較大—分子運(yùn)動(dòng)速度高液體的導(dǎo)熱：主要依靠晶格的振動(dòng)。晶格：理想的晶體中分子在無限大空間里排列成周期性點(diǎn)陣。液體的熱導(dǎo)率隨壓力p的升高而增大。純金屬的導(dǎo)熱：依靠自由電子的遷移和晶格的振動(dòng)；主要依靠前者負(fù)溫度系數(shù)negativetemperaturecoefficient,NTC晶格振動(dòng)的加強(qiáng)干擾自由電子運(yùn)動(dòng)，合金的導(dǎo)熱：依靠自由電子的遷移和晶格的振動(dòng)；主要依靠后者溫度升高、晶格振動(dòng)加強(qiáng)、導(dǎo)熱增強(qiáng)，正溫度系數(shù)，positivetemperaturecoefficient,PTC非金屬的導(dǎo)熱：依靠晶格的振動(dòng)傳遞熱量，比較小第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日1、幾何條件如：平壁或圓筒壁；厚度、直徑等說明導(dǎo)熱體的幾何形狀和大小2、物理?xiàng)l件如：物性參數(shù)、c

和

的數(shù)值，是否隨溫度變化；有無內(nèi)熱源、大小和分布；是否各向同性說明導(dǎo)熱體的物理特征3、時(shí)間條件穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程不需要時(shí)間條件—與時(shí)間無關(guān)說明在時(shí)間上導(dǎo)熱過程進(jìn)行的特點(diǎn)對(duì)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程應(yīng)給出過程開始時(shí)刻導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布時(shí)間條件又稱為初始條件（Initialconditions）單值性條件包括四項(xiàng)：幾何、物理、時(shí)間、邊界4.2.3

導(dǎo)熱問題分析過程第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日４、邊界條件說明導(dǎo)熱體邊界上過程進(jìn)行的特點(diǎn)反映過程與周圍環(huán)境相互作用的條件邊界條件一般可分為三類：第一類、第二類、第三類邊界條件（１）第一類邊界條件s—邊界面;tw=f(x,y,z)—邊界面上的溫度已知任一瞬間導(dǎo)熱體邊界上溫度值：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：tw=const非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：tw=f()（Boundaryconditions）4.2.3

導(dǎo)熱問題分析過程第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）第二類邊界條件已知物體邊界上熱流密度的分布及變化規(guī)律：第二類邊界條件相當(dāng)于已知任何時(shí)刻物體邊界面法向的溫度梯度值穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：特例：絕熱邊界面：4.2.3

導(dǎo)熱問題分析過程第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）第三類邊界條件當(dāng)物體壁面與流體相接觸進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí)，已知任一時(shí)刻邊界面周圍流體的溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)導(dǎo)熱微分方程式的求解方法導(dǎo)熱微分方程＋單值性條件＋求解方法溫度場(chǎng)積分法、杜哈美爾法、格林函數(shù)法、拉普拉斯變換法、分離變量法、積分變換法、數(shù)值計(jì)算法4.2.3

導(dǎo)熱問題分析過程第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題1822年，傅里葉對(duì)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題給出了導(dǎo)熱微分方程式F為垂直導(dǎo)熱方向的截面積（m2）；為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃），又稱導(dǎo)熱率；Q為單位時(shí)間的導(dǎo)熱量（或熱流量）（W）。導(dǎo)熱系數(shù)為溫度梯度為1℃時(shí)的熱流密度，導(dǎo)熱系數(shù)代表了物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。當(dāng)導(dǎo)熱問題中溫度差不大時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)一般當(dāng)作常數(shù)。第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題1)單層大平壁大平壁導(dǎo)熱問題中熱量的計(jì)算式，它表明了導(dǎo)熱熱流量Q（或q）、導(dǎo)熱系數(shù)、壁厚、平壁表面溫度tw1、tw2及截面積F之間的關(guān)系。熱阻分析法適用于一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源的情況熱阻第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題例1設(shè)某種材料的局部導(dǎo)熱系數(shù)按0（1+bt）的關(guān)系式變化，用該材料厚為，截面積為F的大平壁，且左右兩側(cè)壁面分別維持tw1和tw2，試推導(dǎo)導(dǎo)熱量及溫度場(chǎng)的計(jì)算式。解：任一截面x處列出傅里葉定律表達(dá)式：將0（1+bt），有將邊界條件x=0，t=tw1代入得，再將邊界條件x=，t=tw2代入上式得第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題熱流密度將Q的計(jì)算式（4-9）代入得由此可見，當(dāng)為溫度的線性函數(shù)時(shí)，大平壁內(nèi)溫度分布為曲線形式。第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日2)多層大平壁的導(dǎo)熱t(yī)1t2t3t4t1t2t3t4三層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱多層平壁：由幾層不同材料組成例：房屋的墻壁—白灰內(nèi)層、水泥沙漿層、紅磚（青磚）主體層等組成假設(shè)各層之間接觸良好，可以近似地認(rèn)為接合面上各處的溫度相等邊界條件熱阻

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日例2一臺(tái)鍋爐的爐墻由三層材料疊合而成，最里面的是耐火黏土磚，厚115mm，中間是B級(jí)硅藻土磚，厚125mm，最外層為石棉板，厚70mm，各層導(dǎo)熱系數(shù)可視為常數(shù)，1=1.12W/m℃，2=0.112W/m℃，3=0.116W/m℃，已知爐墻內(nèi)、外表面溫度分別495℃和60℃，試求每平方米爐墻內(nèi)每小時(shí)的熱損失及耐火黏土磚分界面上的溫度。解：1=115mm，2=125mm，3=70mm，將所有已知值代入式

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日由可求得耐火黏土磚與硅藻磚分界面的溫度，即

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3）單層圓筒壁的導(dǎo)熱一維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、常物性：第一類邊界條件：假設(shè)單管長度為l，圓筒壁的外半徑小于長度的1/10。顯然，溫度呈對(duì)數(shù)曲線分布

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日?qǐng)A筒壁內(nèi)溫度分布：圓筒壁內(nèi)溫度分布曲線的形狀

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日?qǐng)A筒壁內(nèi)部的熱流密度和熱流分布情況長度為l的圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻雖然是穩(wěn)態(tài)情況，但熱流密度q與半徑r成反比！

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日4n層圓筒壁由不同材料構(gòu)成的多層圓筒壁，其導(dǎo)熱熱流量可按總溫差和總熱阻計(jì)算通過單位長度圓筒壁的熱流量

一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日1對(duì)流換熱的定義和性質(zhì)對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象。對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式4.3對(duì)流換熱第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日(1)導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程；(2)必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差；(3)由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層。2

對(duì)流換熱的特點(diǎn)3

對(duì)流換熱的基本計(jì)算式牛頓冷卻式:

對(duì)流換熱的計(jì)算第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

對(duì)流換熱的計(jì)算例2如圖所示，溫度為80℃的水流過內(nèi)壁溫度為40℃的圓管道，已知水與管道的換熱系數(shù)為1500W/（m2℃），且管內(nèi)徑為d=10cm，試計(jì)算水與單位長度管壁間的換熱量。解：由題意可知，水與內(nèi)壁間換熱為對(duì)流換熱，故換熱量可按牛頓冷卻公式計(jì)算，則有Q=Ft=dl（tf

–tw）=1500W/(m2℃)×3.14×10×10-2m×1m×(80℃–40℃)=18.84kW第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日對(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。其影響因素主要有以下五個(gè)方面：(1)流動(dòng)起因;(2)流動(dòng)狀態(tài);(3)流體有無相變;(4)換熱表面的幾何因素;(5)流體的熱物理性質(zhì)對(duì)流換熱的分類：(1)流動(dòng)起因自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日(2)流動(dòng)狀態(tài)(3)流體有無相變層流：整個(gè)流場(chǎng)呈一簇互相平行的流線湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（紊流）（Laminarflow）（Turbulentflow）單相換熱：相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日(4)換熱表面的幾何因素：內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日(5)流體的熱物理性質(zhì)：熱導(dǎo)率密度比熱容動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日綜上所述，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是眾多因素的函數(shù)：第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日對(duì)流換熱分類小結(jié)第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例換熱系數(shù)

的確定，目前主要有兩種方法，即理論分析法和實(shí)驗(yàn)法。理論分析法有精確解法、近似積分法。實(shí)驗(yàn)研究法有相似原理和量綱分析法。量綱分析的基本依據(jù)是Π定理。其內(nèi)容是：一個(gè)表示n個(gè)物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包含n-r個(gè)獨(dú)立的量綱物理量群的關(guān)系式。r指n個(gè)物理量中所涉及到的基本量綱的數(shù)目。第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日試驗(yàn)是不可或缺的手段，然而，經(jīng)常遇到如下兩個(gè)問題:(1)變量太多相似原理及量綱分析1問題的提出A實(shí)驗(yàn)中應(yīng)測(cè)哪些量（是否所有的物理量都測(cè)）B實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何整理（整理成什么樣函數(shù)關(guān)系）(2)實(shí)物試驗(yàn)很困難或太昂貴的情況，如何進(jìn)行試驗(yàn)？相似原理將回答上述三個(gè)問題4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日相似原理的研究?jī)?nèi)容：研究相似物理現(xiàn)象之間的關(guān)系，物理現(xiàn)象相似：對(duì)于同類的物理現(xiàn)象，在相應(yīng)的時(shí)刻與相應(yīng)的地點(diǎn)上與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對(duì)應(yīng)成比例。同類物理現(xiàn)象：用相同形式并具有相同內(nèi)容的微分方程式所描寫的現(xiàn)象。3物理現(xiàn)象相似的特性同名特征數(shù)對(duì)應(yīng)相等；各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關(guān)系，如常物性流體外略平板對(duì)流換熱特征數(shù)：特征數(shù)方程：無量綱量之間的函數(shù)關(guān)系4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日4物理現(xiàn)象相似的條件同名的已定特征數(shù)相等單值性條件相似：初始條件、邊界條件、幾何條件、物理?xiàng)l件實(shí)驗(yàn)中只需測(cè)量各特征數(shù)所包含的物理量,避免了測(cè)量的盲目性——解決了實(shí)驗(yàn)中測(cè)量哪些物理量的問題按特征數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)用關(guān)聯(lián)式——解決了實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何整理的問題可以在相似原理的指導(dǎo)下采用?；囼?yàn)

——解決了實(shí)物試驗(yàn)很困難或太昂貴的情況下，如何進(jìn)行試驗(yàn)的問題4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日5無量綱量的獲得：相似分析法和量綱分析法相似分析法：在已知物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，建立兩現(xiàn)象之間的一些列比例系數(shù)，尺寸相似倍數(shù)，并導(dǎo)出這些相似系數(shù)之間的關(guān)系，從而獲得無量綱量?！巴卣鲾?shù)對(duì)應(yīng)相等”的物理現(xiàn)象相似的特性量綱分析法：在已知相關(guān)物理量的前提下，采用量綱分析獲得無量綱量。4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日a基本依據(jù)：定理，即一個(gè)表示n個(gè)物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換為包含n-r個(gè)獨(dú)立的無量綱物理量群間的關(guān)系。r指基本量綱的數(shù)目。b優(yōu)點(diǎn):

(a)方法簡(jiǎn)單；(b)在不知道微分方程的情況下，仍然可以獲得無量綱量4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日量綱分析的第一步是列出與現(xiàn)象有關(guān)的全部物理量的方程。如對(duì)強(qiáng)制對(duì)流換熱，根據(jù)前面的分析，有（，u，l，，，，cp）=0式中七個(gè)物理量涉及四個(gè)基本量綱：[M]，[L]，[T]，[Q/]。此處因物理量中[Q]與[]都以其組合[Q/]出現(xiàn)，故只能將[Q/]作為獨(dú)立量綱。根據(jù)Π定理，可以用三（n–r）個(gè)準(zhǔn)則的關(guān)系式表示，即（Π1，Π2，Π3）=04.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二步是選定各準(zhǔn)則的內(nèi)耗表達(dá)式。每個(gè)準(zhǔn)則由r+1個(gè)物理量組成，Π1=ua1lb1

c1

e1Π2=ua2lb2

c2

e2Π3=ua3lb3

c3

e3cp選定三個(gè)Π的共同項(xiàng)ualbce的原則是，它們必須包括所有四個(gè)基本量綱而自身不能組成無量綱數(shù)。這里的選擇符號(hào)這個(gè)要求。在共同項(xiàng)外還留下三個(gè)物理量，將它們分別搭配到每個(gè)表達(dá)式上，組成五個(gè)物理量的冪次乘積。

4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三步根據(jù)Π必須是無量綱原則，解出待求冪次的數(shù)值，得出準(zhǔn)則。4.3.2對(duì)流換熱系數(shù)的各種關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用舉例Pr稱為普郎特?cái)?shù)Re稱為雷諾數(shù)Nu稱為努謝爾特?cái)?shù)影響強(qiáng)制對(duì)流換熱的因素最終歸結(jié)為兩個(gè)無量綱數(shù)：雷諾數(shù)Re及普朗特?cái)?shù)Pr。

第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日2常見無量綱(準(zhǔn)則數(shù))數(shù)的物理意義及表達(dá)式第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.4輻射換熱(1)定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；(2)特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖所示。3.

物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透

物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透4.4.1

輻射換熱的基本知識(shí)第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體：鏡體或白體：透明體：反射又分鏡反射和漫反射兩種鏡反射漫反射輻射換熱的基本知識(shí)第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型輻射換熱的基本知識(shí)第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。

(W/m2)；光譜輻射力Eλ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。

(W/m3)；E、Eλ關(guān)系:顯然，E和Eλ之間具有如下關(guān)系：黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的光譜輻射力為Ebλ輻射換熱的基本知識(shí)第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日

式中，λ—

波長，m；T

—

黑體溫度，K；

c1

—

第一輻射常數(shù)，3.742×10-16Wm2；

c2—

第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2WK；

(1)Planck定律(第一個(gè)定律)：圖7-6是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長和溫度的依變關(guān)系。λm與T

的關(guān)系由Wien位移定律給出，Planck定律的圖示4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日(2)Stefan-Boltzmann定律(第二個(gè)定律)：

式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。(3)黑體輻射函數(shù)黑體在波長λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖所示：特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)，(4)立體角4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量。

(5)定向輻射強(qiáng)度L(,)：定向輻射強(qiáng)度的定義圖(6)Lambert定律它說明黑體的定向輻射力隨天頂角呈余弦規(guī)律變化，因此，Lambert定律也稱為余弦定律。4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日Lambert定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日1859年，Kirchhoff用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問題，從而提出了Kirchhoff定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。板1是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb,T1以及E,,T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有平行平板間的輻射換熱4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

此即Kirchhoff定律的表達(dá)式之一。該式說明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將Kirchhoff定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式。4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日層次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無條件，為天頂角漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻鍷irchhoff定律的不同表達(dá)式注：漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)，即符合Lambert定律的物體表面；灰體：指光譜吸收比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。4.4.1輻射換熱的基本知識(shí)第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日

兩物體間的輻射換熱量的計(jì)算

輻射換熱計(jì)算示意圖

把表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)，記為X1,2

第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日例4在一個(gè)大的加熱導(dǎo)管中，安裝一個(gè)熱電偶測(cè)量通過導(dǎo)管流動(dòng)氣體的溫度，導(dǎo)管壁溫為425C，熱電偶指示的溫度為170C，氣體與熱電偶間的換熱系數(shù)為50(W/m2)C熱電偶材料的黑度為0.43，問：氣體的溫度是多少？解：由題可得T1=170C=443K，TW=425C=698K，=0.43，=50(w/m2)C，如圖所示，當(dāng)用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，高溫氣體以對(duì)流方式將熱量傳給熱電偶，同時(shí)熱電偶又以輻射方式將熱量傳給溫度較低的容器壁。當(dāng)熱電偶的對(duì)流受熱量等于其輻射熱量時(shí)，熱電偶的溫度就不再變化，此溫度即為熱電偶的指示溫度，即氣體的溫度。

兩物體間的輻射換熱量的計(jì)算第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日F為管道內(nèi)表面積，即：

Tf

=410.7K=137.7C

兩物體間的輻射換熱量的計(jì)算第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日例5

直徑為5cm的長管道從一房間內(nèi)通過并且暴露于20C的空氣中，管壁的溫度為93C。如管道的黑度為0.6，試求每米管道的輻射熱損失。

解：已知T1=93C=366K，T2=20C=293K，=0.6由于管道相對(duì)房間來講，其表面積非常小，如假設(shè)管道和房間表面積分別為F1和F2，則可以認(rèn)為F1/F20，故由式（4-49）得管道的與房間的輻射換熱量或輻射熱損失為

兩物體間的輻射換熱量的計(jì)算第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日式中，L為管道的長度。故對(duì)每米管道的輻射熱損失為

兩物體間的輻射換熱量的計(jì)算第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.4.3氣體輻射（1）氣體向外輻射的能量，取決于分子本身的結(jié)構(gòu)，如單原子和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體，可以認(rèn)為它們是透明體，既不向外輻射能量也不吸收外來的輻射能量，如空氣、H2、O2等。但對(duì)于多原子氣體（CO2、H2O）則有相當(dāng)大的輻射力和吸收率；（2）氣體只能輻射和吸收某一定波長間隔范圍內(nèi)的熱射線，其他波長范圍，它既不能輻射也不能吸收；例如CO2的主要吸收光譜有三段：2.65μm~2.8μm、4.14μm~4.45μm、13.0μm~17.0μm。（3）固體的輻射和吸收是在表面上進(jìn)行的，而氣體的輻射和吸收是在整個(gè)氣體中進(jìn)行。第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日K表示單位距離內(nèi)輻射力減弱的百分?jǐn)?shù)，稱為減弱系數(shù)，單位為（1／m）氣體的單色吸收率可表示為第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.4.4火焰輻射火焰除了總是存在著三原子氣體輻射成分之外，還包含著具有強(qiáng)烈輻射能力的固體顆粒。按顆粒的不同，一般可區(qū)分為以下三種類型。1)不發(fā)光火焰當(dāng)氣體燃料或沒有灰分的其他燃料燃燒時(shí)，得到略帶藍(lán)色而近于無色的火焰，通常稱為不發(fā)光火焰。

2)發(fā)光火焰液體燃料及預(yù)先沒有與空氣充分混合的氣體燃料燃燒時(shí)，由于烴類物質(zhì)在高溫下裂解時(shí)產(chǎn)生炭煙粒子，火焰發(fā)光。這種火焰稱為發(fā)光火焰。

3)半發(fā)光火焰各種固體燃料燃燒時(shí)形成半發(fā)光火焰。

第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.5發(fā)動(dòng)機(jī)換熱分析發(fā)動(dòng)機(jī)中導(dǎo)熱問題的求解方法第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日4.5.2燃?xì)馀c壁面間的輻射換熱當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃?xì)鈱?duì)壁面的輻射換熱在數(shù)值上要比對(duì)流換熱小很多，但在某些情況下，例如存在火焰輻射時(shí)，輻射換熱也將達(dá)到燃?xì)鈱?duì)壁面總換熱量的1/4~1/3；因此，輻射換熱對(duì)零件熱負(fù)荷的影響也不能忽略。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鈱?duì)周圍壁面的輻射比一般氣體輻射還要復(fù)雜，因?yàn)榫C合的發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨椛鋵?shí)際上包含了很多內(nèi)容，其中最重要的兩個(gè)方面就是：氣體輻射和火焰輻射。第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒火焰在性質(zhì)上可以分為兩種類型，一種是以氣體燃料混合氣的預(yù)混燃燒為代表的明線光譜火焰，另一種是以液體燃料蒸發(fā)擴(kuò)散燃燒為代表的連續(xù)光譜火焰。前者因火焰透明發(fā)光很少，輻射量也