傳熱學(xué)緒論-課件

傳熱學(xué)緒論(Introduction)導(dǎo)熱

（HeatConduction）對流傳熱（Convectionheattransfer）熱輻射（Thermalradiation）綜合傳熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（TransientConduction）導(dǎo)熱問題數(shù)值解法（Numericalsimulationmethod)HeatTransfer1ppt課件2-1-1傳熱學(xué)概述2-2-2熱量傳遞的基本方式2-2-3傳熱過程與熱阻傳熱學(xué)2-1緒論2ppt課件一、什么是傳熱學(xué)研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計算和測試方法熱量傳遞過程的推動力：溫差熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?。有溫差就會有傳熱（TheSecondLawofThermodynamics）傳熱學(xué)2-1-1傳熱學(xué)概述二、傳熱學(xué)的重要性自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差—傳熱很普遍3ppt課件人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？日常生活中的例子傳熱學(xué)2-1-1傳熱學(xué)概述在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題動力、化工、制冷、建筑、環(huán)境、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…一支蠟燭為什么永遠(yuǎn)不能燒開一壺水？4ppt課件熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式5ppt課件一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）heatconduction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，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式不發(fā)生宏觀的相對位移1.定義和特征導(dǎo)熱的特點必須有溫差物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量6ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式2.導(dǎo)熱機(jī)理氣體：氣體分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果。導(dǎo)電固體：自由電子運動。非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動。液體：很復(fù)雜。7ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式二、熱對流(convection)與對流換熱Heatedairrises,cools,thenfalls.

Airnearheateris

replacedbycoolerair,and

thecyclerepeats.

8ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式1.定義與特征定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象——熱對流。流體中有溫差—

熱對流必然同時伴隨著熱傳導(dǎo)，自然界不存在單一的熱對流對流換熱：流體與溫度不同的固體壁間接觸時的熱量交換過程Convectionheattransfer9ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差2.對流換熱的特點對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程10ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式3.分類對流換熱按照不同的原因可分為多種類型是否相變，分為：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱流動原因，分為：強迫對流換熱和自然對流換熱。流動狀態(tài)，分為：層流和紊流。11ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式三、熱輻射（Thermalradiation）1.定義——物體通過電磁波來傳遞熱量的方式。

物體的溫度越高、輻射能力越強；若物體的種類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞Radiationheattransfer12ppt課件傳熱學(xué)2-1-2熱量傳遞的基本方式2.輻射換熱的特點——不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量——在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換

物體熱力學(xué)能電磁波能物體熱力學(xué)能——無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量;總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫13ppt課件傳熱學(xué)2-1-3傳熱過程1.傳熱過程：熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程。導(dǎo)熱對流輻射對流傳熱過程通常由導(dǎo)熱、熱對流、熱輻射組合形成14ppt課件傳熱學(xué)2-1-3傳熱過程在數(shù)值上，傳熱系數(shù)等于冷、熱流體間溫差=1oC、傳熱面積A＝1m2時的熱流量值，是一個表征傳熱過程強烈程度的物理量。傳熱過程越強，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱。為熱流體與冷流體間的平均溫差；k為傳熱系數(shù)，W/(m2

oC)。15ppt課件傳熱學(xué)2-2導(dǎo)熱2-2-1導(dǎo)熱的基本概念2-2-2導(dǎo)熱的基本定律2-2-3導(dǎo)熱系數(shù)2-2-4導(dǎo)熱微分方程2-2-5一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱16ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念一、溫度場和溫度梯度1.溫度場：（Temperaturefield）物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各個點上溫度的集合稱為溫度場，它是時間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，記為t—為溫度;x,y,z—為空間坐標(biāo);

-時間坐標(biāo)

17ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念穩(wěn)態(tài)溫度場穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（Steady-stateconduction）非穩(wěn)態(tài)溫度場非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（Transientconduction）三維穩(wěn)態(tài)溫度場：一維溫度場:18ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念2.等溫面：溫度場中溫度相同點的集合稱為等溫面。其疏密程度可反映溫度場在空間中的變化情況。tt-Δtt+Δt等溫線：用一個平面與各等溫面相交，在這個平面上得到一個等溫線簇等溫面與等溫線的特點：(1)溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交(2)在連續(xù)的溫度場中，等溫面或等溫線不會中止，它們或者是物體中完全封閉的曲面（曲線），或者就終止與物體的邊界上19ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念3.溫度梯度（Temperaturegradient）等溫面上沒有溫差，不會有熱傳遞。不同的等溫面之間，有溫差，有導(dǎo)熱溫度梯度是用以反映溫度場在空間的變化特征的物理量。

20ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念

系統(tǒng)中某一點所在的等溫面與相鄰等溫面之間的溫差與其法線間的距離之比的極限為該點的溫度梯度，記為gradt。或：溫度沿溫度變化方向上，溫度的變化率——溫度梯度注：溫度梯度是向量；正向朝著溫度增加的方向21ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念4.熱流密度矢量（Heatflux）熱流密度：單位時間、單位面積上所傳遞的熱量，W/m2；熱流密度矢量：等溫面上某點，以通過該點處最大熱流密度的方向為方向、數(shù)值上正好等于沿該方向的熱流密度22ppt課件傳熱學(xué)2-2-1導(dǎo)熱的基本概念

溫度梯度和熱流密度的方向都是在等溫面的法線方向。由于熱流是從高溫處流向低溫處，因而溫度梯度和熱流密度的方向正好相反。t+Δttt-Δt23ppt課件傳熱學(xué)2-2-2導(dǎo)熱的基本定律1.傅里葉公式：熱流量，單位時間傳遞的熱量[W]q：熱流密度，單位時間通過單位面積傳遞的熱量A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積[m2]：平壁兩側(cè)壁溫之差，℃λ熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），W/（m℃）Thermalconductivity24ppt課件傳熱學(xué)2-2-2導(dǎo)熱的基本定律2.傅里葉定律的嚴(yán)格表述

t1

t20x

δndtdntt+dt負(fù)號是因為熱流密度與溫度梯度的方向不一致而加上傅里葉定律可表述為:系統(tǒng)中任一點的熱流密度與該點的溫度梯度成正比而方向相反注：傅里葉定律只適用于各向同性材料

各向同性材料：熱導(dǎo)率在各個方向是相同的25ppt課件傳熱學(xué)2-2-3導(dǎo)熱系數(shù)（Thermalconductivity）傅利葉定律給出了導(dǎo)熱系數(shù)的定義

:w/m·℃

導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度作用下單位時間內(nèi)單位面積的熱量。

導(dǎo)熱系數(shù)是物性參數(shù)，它與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密切相關(guān)，例如物質(zhì)的種類、材料成分、溫度、濕度、壓力、密度等，與物質(zhì)幾何形狀無關(guān)。它反映了物質(zhì)微觀粒子傳遞熱量的特性26ppt課件傳熱學(xué)2-2-3導(dǎo)熱系數(shù)（Thermalconductivity）不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同：0?C時：

當(dāng)λ<0.2W/(m℃)時，這種材料稱為保溫材料。高效能的保溫材料多為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)。27ppt課件傳熱學(xué)2-2-3導(dǎo)熱系數(shù)（Thermalconductivity）3.固體的λ：金屬：2.3~417.6

W/(m℃)建材：0.16~2.2

W/(m℃)耐材：1.1~16

W/(m℃)隔熱材料：<0.2

W/(m℃)1.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)：0.0058~0.58W/(m℃)是分子熱運動和相互碰撞的結(jié)果T，λ

，λ與壓力無關(guān)，其值由實驗測定2.液體的λ：0.093~0.7

W/(m℃)T，λ（水、甘油除外）28ppt課件傳熱學(xué)2-2-3導(dǎo)熱系數(shù)（Thermalconductivity）

同一種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)也會因其狀態(tài)參數(shù)的不同而改變，因而導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)溫度和壓力的函數(shù)。

一般把導(dǎo)熱系數(shù)僅僅視為溫度的函數(shù)，而且在一定溫度范圍還可以用一種線性關(guān)系來描述29ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）一、導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)傅里葉定律：

建立導(dǎo)熱微分方程，可以揭示連續(xù)溫度場隨空間坐標(biāo)和時間變化的內(nèi)在聯(lián)系。

理論基礎(chǔ)：傅里葉定律+能量守恒方程

30ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）假設(shè)：(1)所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質(zhì)

(2)熱導(dǎo)率、比熱容和密度均為已知

(3)物體內(nèi)具有內(nèi)熱源；強度qv[W/m3];

內(nèi)熱源均勻分布；

導(dǎo)熱體內(nèi)取一微元體，根據(jù)能量守恒定律：單位時間凈導(dǎo)入微元體的熱量Qd加上微元體內(nèi)熱源生成的熱量Qv應(yīng)等于微元體焓的增加量

qv

表示單位體積的導(dǎo)熱體在單位時間內(nèi)放出的熱量31ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）1、導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈熱量d時間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)x表面導(dǎo)入的熱量：d時間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)x+dx

表面導(dǎo)出的熱量：32ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）d時間內(nèi)、沿x軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量d時間內(nèi)、沿y軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量d時間內(nèi)、沿z

軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量33ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）[導(dǎo)入與導(dǎo)出凈熱量]:傅里葉定律：34ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）2、d時間微元體內(nèi)熱源的發(fā)熱量3、微元體在d時間內(nèi)焓的增加量

35ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）若物性參數(shù)、c和均為常數(shù)：上式亦可寫為：2為拉普拉斯算子

熱擴(kuò)散系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)），單位為

（Thermaldiffusivity）36ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）熱擴(kuò)散率a反映了導(dǎo)熱過程中材料的導(dǎo)熱能力（

）與沿途物質(zhì)儲熱能力（

c）之間的關(guān)系.a值大，即值大或

c值小，說明物體的某一部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個物體中很快擴(kuò)散熱擴(kuò)散率表征物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)各部分溫度趨向于均勻一致的能力，所以a反應(yīng)導(dǎo)熱過程動態(tài)特性，研究不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱重要物理量a是材料傳播溫度變化能力大小的指標(biāo)，因此又稱導(dǎo)溫系數(shù)。37ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）對于穩(wěn)態(tài)溫度場：此式常稱為泊桑方程。如果無內(nèi)熱源存在:此式則稱為拉普拉斯方程.38ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）二、導(dǎo)熱過程的單值性條件導(dǎo)熱微分方程式的理論基礎(chǔ)：傅里葉定律+能量守恒。它描寫物體的溫度隨時間和空間變化的關(guān)系；沒有涉及具體、特定的導(dǎo)熱過程。通用表達(dá)式。單值性條件：確定唯一解的附加補充說明條件，包括四項：幾何、物理、初始、邊界完整數(shù)學(xué)描述：導(dǎo)熱微分方程+單值性條件39ppt課件傳熱學(xué)2-2-4導(dǎo)熱微分方程（HeatDiffusionEquation）1、幾何條件：說明導(dǎo)熱體的幾何形狀和大小，如：平壁或圓筒壁；厚度、直徑等2、物理條件：說明導(dǎo)熱體的物理特征如：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；3、初始條件：又稱時間條件，反映導(dǎo)熱系統(tǒng)的初始狀態(tài)４、邊界條件:反