《傳熱學(xué)習(xí)題課件》課件

傳熱學(xué)習(xí)題課件本課件旨在幫助學(xué)生更好地理解和掌握傳熱學(xué)知識(shí)。課程簡(jiǎn)介內(nèi)容概述本課程主要講解傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)、基本概念、計(jì)算方法和工程應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握傳熱學(xué)的基本理論，能運(yùn)用傳熱學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題。教學(xué)方式理論講解、習(xí)題練習(xí)、案例分析。傳熱學(xué)概述傳熱學(xué)是研究熱能傳遞規(guī)律的學(xué)科。它涉及到熱量在不同介質(zhì)之間的傳遞，以及熱傳遞過(guò)程中的各種現(xiàn)象和規(guī)律。傳熱學(xué)是工程熱力學(xué)的重要分支，在許多工程領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，例如動(dòng)力工程、化工、冶金、建筑、航空航天等。傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括三種基本的熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是指熱量通過(guò)物質(zhì)內(nèi)部的微觀粒子運(yùn)動(dòng)而傳遞的過(guò)程；熱對(duì)流是指熱量通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)而傳遞的過(guò)程；熱輻射是指熱量通過(guò)電磁波的形式傳遞的過(guò)程。傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1傳熱方式傳熱學(xué)主要研究三種基本傳熱方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。2傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)是衡量不同傳熱方式效率的重要指標(biāo)，用于計(jì)算傳熱量。3熱量守恒熱量守恒是傳熱學(xué)的基本原理，即在封閉系統(tǒng)中熱量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失。熱傳導(dǎo)概念及規(guī)律熱傳導(dǎo)定義熱量通過(guò)靜止物體或介質(zhì)內(nèi)部的分子熱運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)程，稱為熱傳導(dǎo)。傅里葉定律熱傳導(dǎo)速率與溫度梯度成正比，與熱傳導(dǎo)面積成正比，與材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)成正比。熱傳導(dǎo)系數(shù)材料熱傳導(dǎo)能力的量度，反映了材料傳遞熱量的難易程度。熱傳導(dǎo)定理傅里葉定律描述了熱量在固體中的傳導(dǎo)速率與溫度梯度和材料的熱導(dǎo)率之間的關(guān)系。熱傳導(dǎo)方程根據(jù)熱量守恒定律推導(dǎo)得出，用于計(jì)算溫度隨時(shí)間和空間的變化。邊界條件定義了固體邊界上的溫度或熱流，是解決熱傳導(dǎo)問(wèn)題的重要因素。熱傳導(dǎo)常微分方程傅里葉定律描述了熱流密度與溫度梯度之間的關(guān)系能量守恒熱傳導(dǎo)方程是基于能量守恒原理推導(dǎo)的偏微分方程熱傳導(dǎo)方程通常是一個(gè)偏微分方程，涉及多個(gè)變量邊界條件及其物理意義第一類邊界條件溫度邊界條件，指在邊界上溫度值是已知的，例如邊界接觸到恒溫?zé)嵩椿蚶湓?。第二類邊界條件熱流邊界條件，指在邊界上熱流密度是已知的，例如邊界接觸到絕熱材料或存在熱流輸入。第三類邊界條件對(duì)流邊界條件，指在邊界上存在對(duì)流換熱，即邊界與流體之間存在溫度差，熱量通過(guò)對(duì)流方式傳遞。一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題1定義溫度隨時(shí)間不變化，熱量沿著一個(gè)方向傳遞2應(yīng)用建筑物外墻、管道絕緣3解法傅里葉定律、邊界條件一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)例題本節(jié)課將通過(guò)一系列例題，深入講解一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的求解方法。我們會(huì)分析常見的邊界條件，并運(yùn)用傅里葉定律、熱阻概念等方法，解決不同情景下的傳熱問(wèn)題。二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題1定義在二維空間中，當(dāng)溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。2應(yīng)用廣泛應(yīng)用于建筑物保溫、電子設(shè)備散熱、機(jī)械部件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。3求解通常使用偏微分方程和邊界條件來(lái)求解二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)例題二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題通常涉及兩個(gè)空間坐標(biāo)，如長(zhǎng)方形平板或圓柱體，其溫度分布在兩個(gè)方向上變化。這類問(wèn)題需要用偏微分方程來(lái)描述，常見的解法包括分離變量法、有限差分法等。非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題1溫度隨時(shí)間變化物體內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化2熱流密度變化物體內(nèi)部熱流密度隨時(shí)間變化3熱量積累物體內(nèi)部熱量積累或釋放非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分類時(shí)間相關(guān)性溫度變化空間變化一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)1溫度隨時(shí)間變化溫度不再是常數(shù)，而是隨時(shí)間變化的。2熱量積累物體內(nèi)部的熱量會(huì)隨著時(shí)間的推移而積累或減少。3熱流密度變化由于溫度變化，熱流密度也會(huì)隨時(shí)間變化。一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)例題一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)例題主要包含以下幾個(gè)方面：-熱傳導(dǎo)過(guò)程的物理模型：例如，一塊金屬板，一個(gè)圓柱體，或是一根細(xì)長(zhǎng)的金屬棒。-初始條件：描述在熱傳導(dǎo)過(guò)程開始時(shí)的溫度分布情況。-邊界條件：描述在熱傳導(dǎo)過(guò)程中的邊界溫度或熱流情況。-要求：求解在不同時(shí)間點(diǎn)上的溫度分布情況。二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化熱量在物體內(nèi)部傳遞時(shí)，物體內(nèi)部溫度場(chǎng)會(huì)隨時(shí)間變化。溫度分布隨時(shí)間變化由于熱量的傳遞，物體內(nèi)部溫度分布也會(huì)隨著時(shí)間而變化?？刂品匠潭S非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題需要使用偏微分方程來(lái)描述溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律。數(shù)值求解方法由于偏微分方程的復(fù)雜性，通常需要使用數(shù)值求解方法來(lái)求解二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)例題模型分析二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，需考慮不同方向的熱傳導(dǎo)，并分析溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律。數(shù)值模擬利用有限元等數(shù)值方法進(jìn)行模擬，獲得不同時(shí)刻的溫度分布，為工程應(yīng)用提供參考。工程實(shí)踐將理論分析與實(shí)際工程問(wèn)題結(jié)合，例如電子設(shè)備散熱、建筑節(jié)能等領(lǐng)域，解決實(shí)際問(wèn)題。熱對(duì)流概念及規(guī)律熱對(duì)流定義熱對(duì)流是熱量通過(guò)流體（如液體或氣體）的運(yùn)動(dòng)傳遞的一種方式。熱對(duì)流類型熱對(duì)流主要分為兩種：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流規(guī)律熱對(duì)流的速率取決于流體的性質(zhì)、流體的速度、流體與固體表面之間的溫差以及固體表面的幾何形狀。強(qiáng)制對(duì)流傳熱1流體流動(dòng)流體以一定速度流過(guò)固體表面2熱量傳遞流體與固體表面之間發(fā)生熱量交換3傳熱方向熱量從高溫物體傳遞到低溫物體強(qiáng)制對(duì)流傳熱是指流體在外力作用下流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中與固體表面進(jìn)行熱量交換的過(guò)程。常見的應(yīng)用場(chǎng)景包括風(fēng)機(jī)散熱、空調(diào)制冷等。強(qiáng)制對(duì)流傳熱例題熱交換器計(jì)算流體在熱交換器中的對(duì)流傳熱系數(shù)。平板對(duì)流計(jì)算空氣流過(guò)平板時(shí)的對(duì)流傳熱速率。圓柱體對(duì)流計(jì)算圓柱體在風(fēng)洞中的對(duì)流傳熱系數(shù)。自然對(duì)流傳熱1浮力流體密度差異2熱傳遞溫度梯度3對(duì)流流體運(yùn)動(dòng)自然對(duì)流傳熱例題自然對(duì)流傳熱是指流體由于密度差而產(chǎn)生的熱量傳遞。例如，在炎熱的天氣里，地面受到太陽(yáng)照射而升溫，靠近地面的空氣受熱膨脹，密度降低，而上面的冷空氣密度較高，于是就產(chǎn)生了向上的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)可以有效地將熱量從地面?zhèn)鬟f到空中。自然對(duì)流傳熱問(wèn)題較為復(fù)雜，需要考慮流體的物理性質(zhì)、溫度場(chǎng)分布、邊界條件等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以使用一些簡(jiǎn)化的模型來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。例如，對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何形狀，我們可以使用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算自然對(duì)流傳熱系數(shù)。輻射熱傳遞概念及定律電磁波熱量以電磁波的形式傳遞，不需要介質(zhì)。它可在真空中傳播。黑體能完全吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量的物體，不存在完美的黑體。輻射強(qiáng)度物體單位面積、單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能量。輻射率物體在一定溫度下發(fā)射的輻射強(qiáng)度與黑體在相同溫度下發(fā)射的輻射強(qiáng)度之比。黑體輻射1理想模型黑體是理想模型，可以吸收所有波長(zhǎng)的電磁輻射。2熱輻射黑體輻射是指黑體發(fā)射的熱輻射能量。3普朗克定律普朗克定律描述了黑體輻射的能量分布。灰體輻射定義灰體是指其表面發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體。大多數(shù)實(shí)際物體都是灰體，其表面發(fā)射率小于1。特點(diǎn)灰體的輻射特性可以用一個(gè)單一的發(fā)射率來(lái)描述，這使得計(jì)算灰體輻射換熱變得相對(duì)簡(jiǎn)單。應(yīng)用灰體輻射模型在工程實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，例如計(jì)算建筑物、設(shè)備等的輻射換熱。輻射換熱例題輻射換熱是熱傳遞的一種重要方式，在很多工程領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本節(jié)課將通過(guò)例題講解，幫助同學(xué)們深入理解輻射換熱的原理和計(jì)算方法。例題一：一個(gè)溫度為1000K的黑體球體，半徑為0.1m，置于一個(gè)溫度為300K的環(huán)境中。求該球體每秒鐘輻射出去的熱量。例題二：一個(gè)面積為1m2的平板，表面溫度為400K，發(fā)射率為0.8。該平板置于一個(gè)溫度為300K的環(huán)境中。求該平板