传热学第五版复习总结重点

传热学复习热量传递三种基本方式热传导热对流热辐射例从传热学角度考虑实际问题1人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样2夏天人在同样温度（如25）的空气和水中的感觉不一样。3北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理保温瓶保温原理傅里叶定律的表述GRADTQAGRADT傅利叶定律给出了导热系数的定义GRADTQ/不同物质的导热性能不同非金属金属气体液体固体导热微分方程式VQZTZYTYXTXTC若物性参数、C和均为常数VQZTYTXTTC222222CQTACQZTYTXTATVV2222222CA热扩散系数，导温系数导热过程的单值性条件单值性条件确定唯一解的附加补充说明条件，包括四项几何条件物理条件初始条件（时间）边界条件边界条件常见的有三类（）第一类边界条件规定了边界上的温度值。如边界温度为常数TWC；边界温度为位置函数TWFX,Y对非稳态0时TWFX,Y,2）第二类边界条件规定了边界上的热流密度值。如规定CNTCQWW即（3）第三类边界条件规定了边界上物体与流体间的对流换热系数H及周围流体的温度。FWWTTHNT通过平壁的稳态导热211WWTTCDXDTQTATTAAQWW219T1T21T1T32T43T4总热阻为312123123RRRR热流密度为14312123TTTQR多层平壁CONST接触热阻两个固体表面之间不可能完全接触，只能是局部的、甚至存在点接触。当未接触的空隙中充满空气或其它气体时，由于气体的热导率远远小于固体,就会对两个固体间的导热过程产生附加热阻RC，称之为接触热阻。T1T2TXT11热阻为LDDTR2/LN121221LN21DDTTLQWWL1221LN21DDLTTWW通过圆筒壁的稳态导热221211211LN211DHDDDHTTQFFL222HDDCRX即当时，热阻值为最小。单位管长传热量QL为最大值。此时的DX称为“临界热绝缘直径”，用DCR表示。222HDX临界热绝缘直径肋片的散热效率肋基温度下的散热量假定整个肋片表面处在肋片的实际散热量F肋片的效率可用下面的式子进行定义FMLMLTHF严格地讲，肋片效率并不反映肋片散热性能的好坏，并不是说F大肋片散热量就大。实质上，它反映了肋片的几何结构、材料性质和环境条件与散热量之间的关系。关于肋片效率THML的数值随ML的增加而趋于一定值（MH3）MLMLTHF稳态导热的形状因子对多维导热计算，可引入形状因子，作为几何形状与尺寸的因素的影响12LN2DDLSSTT121221LN2DDTTLWW一维圆筒壁一维无限大平壁ASTATTAWW21非稳态导热周期性非稳态导热物体的温度随时间而作周期性的变化非周期性非稳态导热（瞬态导热）物体的温度随时间不断地升高（加热过程）或降低（冷却过程），在经历相当长时间后，物体温度逐渐趋近于周围介质温度，最终达到热平衡。物体的温度随时间而变化的导热过程为非稳态导热。不规则情况阶段正常情况阶段建立新的稳态阶段零维问题的分析法集总参数法定义忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。此时，温度分布只与时间有关，即，与空间位置无关。因此，也称为零维问题。0BIFT工程上把BI01M作为该情况的判据1HBIHVCHAETTTT00其中的指数222HAHVACVAVCHVAABIFOVACVLA特征长度2LAFOHLBIFOBIEXP0物理意义BIFOHLHL1BI物体表面对流换热热阻物体内部导热热阻无量纲热阻无量纲时间FO越大，热扰动就能越深入地传播到物体内部物体，各点地温度就越接近周围介质的温度。22FLOLA换热时间边界热扰动扩散到面积上所需的时间FO物理意义表征非稳态过程进行深度的无量纲时间。区域离散的概念控制容积、网格线、节点、界面线、步长二维矩形域内稳态无内热源，常物性导热问题对研究区域进行离散。X,Y,为空间和时间步长。XYXYJI节点I,JMN控制体网格线建立离散方程的常用方法1TAYLOR（泰勒）级数展开法；2多项式拟合法；3控制容积积分法；4控制容积平衡法也称为热平衡法以二维、稳态、有内热源的导热问题为例此时0V右左下上XTYXTADDDD左YXXXTDDI,JI1,JI1,JI,J1YYI,J1XTTYXTYJIJI,1DD左XTTYJIJI,1右YTTXJIJI,1,上YTTXJIJI,1,下内热源YXQVQVVVXTDDI,JI1,JI1,JI,J1YYI,J10V右左下上0,1,1,1,1YXQYTTXYTTXXTTYXTTYVJIJIJIJIJIJIJIJIYX时042,1,1,1,1VJIJIJIJIJIQXTTTTTVJIJIJIJIJIQXTTTTT21,1,1,1,4022,21,1,2,1,1JIVJIJIJIJIJIJIQYTTTXTTT1边界节点离散方程的建立QWXY1平直边界上的节点2,1,1,1,224XQTTQXTTJIVNMJIWJIJI0222,1,1,1YXQYTTXYTTXYQXTTYJIVJIJIJIJIWJIJIYX2外部角点2222,1,1,XQQXTTTJVIWJIJIJI0222222,1,1YXQYTTXQXQYXTTYJIVJIJIWWJIJIYXXYQW3内部角点223226122,11,1,1,WVJIJIJIJIJIQXQXTTTTT0432222,1,1,1,1YXQQXYTTXYTTXQYXTTYXTTYJIVWJIJIJIJIWJIJIJIJIYXXYQWP89表41对流换热的基本计算式WTTHAW2MWFWTTHAQ牛顿冷却式约定Q及总是取正值流动/热边界层的重要特性或称为其基本概念1流场可以划分为边界层区与主流区边界层区由粘性流体运动微分方程组描述主流区由理想流体运动微分方程欧拉方程2边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）此处依靠导热，流动在传热中起什么作用3边界层厚度与壁的定型尺寸L相比极小，L4边界层内存在较大的速度梯度当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的温度边界层（热边界层）3121PRRE3320XXNU式中XHNUXX努塞尔NUSSELT数XUXRE雷诺REYNOLDS数APR普朗特数注意特征尺度为当地坐标X外掠等温平板、无内热源、层流流体的动量传递能力与热量传递能力之比的大小对局部表面传热系数进行积分，可得长度为L长壁温平板平均表面传热系数3121PRRE6640NULUREHLNU实际应用时定性温度一般取TTWTF/2外掠平板紊流换热3/154PRRE02960XXNU3180PR870RE0370MNU物理现象相似的条件对同类现象同名的已定特征数相等单值性条件相似初始条件、边界条件、几何条件、物理条件对流换热几何条件（形状、尺寸和位置）物理条件（流体类别和物性）边界条件时间条件同理，对于其他情况PR,GRNUF自然对流换热混合对流换热PR,GRRE,NUFNU待定特征数（含有待求的H）RE，PR，GR已定特征数PRRE,NUPRRE,NUXFFX；强制对流对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数格拉晓夫数23TLGGR式中流体的体积膨胀系数K1GR表征流体浮生力与粘性力的比值NMHGRCNUPR管内受迫湍流换热实验关联式080023REPRNFFFNURLTNFFFCCCNUPRRE023080管内强迫对流传热的强化管内强迫对流传热系数大致统一形式RLTNEMCCCDUCH,204080406080DCUFHP1、提高流速2、减小管子当量直径（选用小管径管子、采用异型管扁圆管、椭圆管、采用内肋管）3、采用弯管或螺旋管4、采用短管5、选用系数C大的流体。空气改为水冷6、人为扰动。（壁面、超声波、内螺纹管等）RLTNEMCCCDUCH膜状凝结凝结液体能很好的润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结方式称为膜状凝结。凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去，液膜层就成为换热的主要热阻GSWTT凝结换热蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式凝结过程倾斜壁4123SIN9430WSLLLTTLRGH水平管NUSSELT采用图解积分得41237290WSLLLHTTDRGH球表面41238260WSLLLSTTDRGH4/1211TLCCH41239430WSLLLVTTLRGH垂直壁凝结换热强化强化的原则尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。实现的方法改变表面几何形状，如尖锋表面、低肋管、纵向沟槽有效排除不凝气体使凝结液尽快从换热表面上排泄掉如加装倒流装置、利用离心力、振动、静电吸引等方法加速凝液排泄。表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入沸腾换热A沸腾工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程B沸腾换热指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式分类大空间沸腾池内沸腾有限空间沸腾（管内沸腾）FABCDE大容器饱和沸腾曲线电加热、反应堆恒热流，实用中设监测点。沸腾强化沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心。现已开发出两类增加表面凹坑的方法1用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学的方法在换热表面上造成一层多孔结构；2采用机械加工的方法在换热管表面上造成多孔结构。壁面过热度汽化核心数11QQQQQQQQQQ式中各能量的百分数分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比，记为、。特例1的物体叫做绝对黑体。1的物体叫做绝对白体。1的物体叫做绝对透明体。斯蒂芬玻尔兹曼定律4051012TDECDEETCBB兰贝特定律定向辐射强度与方向无关的规律服从兰贝特定律的表面称为漫射表面近似的认为大多数工程材料也服从兰贝特定律。实际固体和液体的辐射特性发射率，又称为黑度物性实际物体的辐射力与同温下黑体辐射力的比值40TDEEEBB实际固体的吸收比和基尔霍夫定律1实际物体的吸收特性物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收比。物体的吸收率比黑度更为复杂。21,D,D,2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTFTETTETTBB在热辐射中，把单色吸收比与波长无关的物体称为灰体（）常数对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收率恒等于同温下的黑度。层次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球光谱，定向全波段，半球无条件，为天顶角漫射表面灰表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面,TT,TTTTKIRCHHOFF定律的不同表达式注漫射表面指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合LAMBERT定律的物体表面；灰体单色吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。,TT角系数的定义定义把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2。角系数的性质角系数的相对性互换性1,222,11XAXANIIX1,11角系数的完整性角系数的分解性/可加性NIIXX12,12,121323,212313,113212,1222AAAAXAAAAXAAAAX三个很长的非凹形表面组成的辐射系统一个表面对另一个表面的角系数可表示为两个参与表面之和减去非参与表面，然后除以二倍的该表面。12A交叉线之和不交叉线之和表面的断面长度上述方法又被称为交叉线法。,2ABCDBCADACBDXAB两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（1）投入辐射单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。两漫灰表面组成的封闭系统的辐射换热计算（2）有效辐射单位时间内离开单位面积的总辐射能，记为J。AJEB1净辐射热流量AJEB12222,11111212,1111AXAAEEBB1BE1J2J2BE1111A11,21AX2221A两封闭表面间的辐射换热网络图三种特殊情形1表面1为凸面或平面非凹，此时，X1,21，11112211AAS1121,21122111BBAEEAA其中系统发射率为111112212,112112,1AAXEEABB1S1121,21122111BBAEEAA（2）非凹，且表面积A1比表面积A2小得多，即A1/A20于是A1A2T1T242411121112,1TTAEEABB大房间内的小物体如高温管道等的辐射散热，以及气体容器内或管道内热电偶测温的辐射误差等实际问题的计算都属于这种情况。111121S4241212112,1111TTAEEASBB3两无限大平行平面表面积A1与表面积A2相当，即A1/A21，X1,2X2,11于是A1A2111112212,112112,1AAXEEABB三表面的辐射换热问题的等效网络图A由三个表面组成的封闭系统B三表面封闭腔的等效网络图从而求出各表面净辐射热流量1、2和3，以及表面之间的辐射换热量1,2、1,3以及2,3等。IIIIBIIAJE1JIIJIJIXAJJ,1两个重要特例有一个表面为黑体黑体的表面热阻为零。有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零。对于绝热表面，由于表面在参与辐射换热的过程中即不得