发动机传热过程

发动机传热过程第一页，共七十九页，2022年，8月28日4.1热量传递过程概述当一个物体内部存在温差或两个物体之间存在温差时就会发生热量从物体某一部分传至另一部分或热量从一个物体传至另一个物体的现象，这就是热传递现象。汽油机和柴油机缸内燃气的温度和压力第二页，共七十九页，2022年，8月28日

热量传递的三种基本方式1导热（热传导）(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点：a必须有温差；b物体直接接触；c依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。第三页，共七十九页，2022年，8月28日(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。2对流（热对流）(Convection)(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：

a导热与热对流同时存在的复杂热传递过程

b必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差

c壁面处会形成速度梯度很大的边界层第四页，共七十九页，2022年，8月28日(1)定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3热辐射(Thermalradiation)(2)

特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。第五页，共七十九页，2022年，8月28日4.2

导热过程

温度场是某时刻空间所有各点温度分布的总称，它是时间和空间的函数。等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇第六页，共七十九页，2022年，8月28日4.2.2导热机理气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递。分子质量小的气体（H2、He）热导率较大—分子运动速度高液体的导热：主要依靠晶格的振动。晶格：理想的晶体中分子在无限大空间里排列成周期性点阵。液体的热导率随压力p的升高而增大。纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要依靠前者负温度系数negativetemperaturecoefficient,NTC晶格振动的加强干扰自由电子运动，合金的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动；主要依靠后者温度升高、晶格振动加强、导热增强，正温度系数，positivetemperaturecoefficient,PTC非金属的导热：依靠晶格的振动传递热量，比较小第七页，共七十九页，2022年，8月28日1、几何条件如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等说明导热体的几何形状和大小2、物理条件如：物性参数、c

和

的数值，是否随温度变化；有无内热源、大小和分布；是否各向同性说明导热体的物理特征3、时间条件稳态导热过程不需要时间条件—与时间无关说明在时间上导热过程进行的特点对非稳态导热过程应给出过程开始时刻导热体内的温度分布时间条件又称为初始条件（Initialconditions）单值性条件包括四项：几何、物理、时间、边界4.2.3

导热问题分析过程第八页，共七十九页，2022年，8月28日４、边界条件说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件边界条件一般可分为三类：第一类、第二类、第三类边界条件（１）第一类边界条件s—边界面;tw=f(x,y,z)—边界面上的温度已知任一瞬间导热体边界上温度值：稳态导热：tw=const非稳态导热：tw=f()（Boundaryconditions）4.2.3

导热问题分析过程第九页，共七十九页，2022年，8月28日（2）第二类边界条件已知物体边界上热流密度的分布及变化规律：第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界面法向的温度梯度值稳态导热：特例：绝热边界面：4.2.3

导热问题分析过程第十页，共七十九页，2022年，8月28日（3）第三类边界条件当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数导热微分方程式的求解方法导热微分方程＋单值性条件＋求解方法温度场积分法、杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯变换法、分离变量法、积分变换法、数值计算法4.2.3

导热问题分析过程第十一页，共七十九页，2022年，8月28日

一维稳态导热问题1822年，傅里叶对一维稳态导热问题给出了导热微分方程式F为垂直导热方向的截面积（m2）；为导热系数（W/m℃），又称导热率；Q为单位时间的导热量（或热流量）（W）。导热系数为温度梯度为1℃时的热流密度，导热系数代表了物质的导热能力。当导热问题中温度差不大时，导热系数一般当作常数。第十二页，共七十九页，2022年，8月28日

一维稳态导热问题1)单层大平壁大平壁导热问题中热量的计算式，它表明了导热热流量Q（或q）、导热系数、壁厚、平壁表面温度tw1、tw2及截面积F之间的关系。热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况热阻第十三页，共七十九页，2022年，8月28日

一维稳态导热问题例1设某种材料的局部导热系数按0（1+bt）的关系式变化，用该材料厚为，截面积为F的大平壁，且左右两侧壁面分别维持tw1和tw2，试推导导热量及温度场的计算式。解：任一截面x处列出傅里叶定律表达式：将0（1+bt），有将边界条件x=0，t=tw1代入得，再将边界条件x=，t=tw2代入上式得第十四页，共七十九页，2022年，8月28日

一维稳态导热问题热流密度将Q的计算式（4-9）代入得由此可见，当为温度的线性函数时，大平壁内温度分布为曲线形式。第十五页，共七十九页，2022年，8月28日2)多层大平壁的导热t1t2t3t4t1t2t3t4三层平壁的稳态导热多层平壁：由几层不同材料组成例：房屋的墙壁—白灰内层、水泥沙浆层、红砖（青砖）主体层等组成假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等边界条件热阻

一维稳态导热问题第十六页，共七十九页，2022年，8月28日例2一台锅炉的炉墙由三层材料叠合而成，最里面的是耐火黏土砖，厚115mm，中间是B级硅藻土砖，厚125mm，最外层为石棉板，厚70mm，各层导热系数可视为常数，1=1.12W/m℃，2=0.112W/m℃，3=0.116W/m℃，已知炉墙内、外表面温度分别495℃和60℃，试求每平方米炉墙内每小时的热损失及耐火黏土砖分界面上的温度。解：1=115mm，2=125mm，3=70mm，将所有已知值代入式

一维稳态导热问题第十七页，共七十九页，2022年，8月28日由可求得耐火黏土砖与硅藻砖分界面的温度，即

一维稳态导热问题第十八页，共七十九页，2022年，8月28日3）单层圆筒壁的导热一维、稳态、无内热源、常物性：第一类边界条件：假设单管长度为l，圆筒壁的外半径小于长度的1/10。显然，温度呈对数曲线分布

一维稳态导热问题第十九页，共七十九页，2022年，8月28日圆筒壁内温度分布：圆筒壁内温度分布曲线的形状

一维稳态导热问题第二十页，共七十九页，2022年，8月28日圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况长度为l的圆筒壁的导热热阻虽然是稳态情况，但热流密度q与半径r成反比！

一维稳态导热问题第二十一页，共七十九页，2022年，8月28日4n层圆筒壁由不同材料构成的多层圆筒壁，其导热热流量可按总温差和总热阻计算通过单位长度圆筒壁的热流量

一维稳态导热问题第二十二页，共七十九页，2022年，8月28日1对流换热的定义和性质对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式4.3对流换热第二十三页，共七十九页，2022年，8月28日(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差；(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。2

对流换热的特点3

对流换热的基本计算式牛顿冷却式:

对流换热的计算第二十四页，共七十九页，2022年，8月28日

对流换热的计算例2如图所示，温度为80℃的水流过内壁温度为40℃的圆管道，已知水与管道的换热系数为1500W/（m2℃），且管内径为d=10cm，试计算水与单位长度管壁间的换热量。解：由题意可知，水与内壁间换热为对流换热，故换热量可按牛顿冷却公式计算，则有Q=Ft=dl（tf

–tw）=1500W/(m2℃)×3.14×10×10-2m×1m×(80℃–40℃)=18.84kW第二十五页，共七十九页，2022年，8月28日对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因;(2)流动状态;(3)流体有无相变;(4)换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质对流换热的分类：(1)流动起因自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动第二十六页，共七十九页，2022年，8月28日(2)流动状态(3)流体有无相变层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（Laminarflow）（Turbulentflow）单相换热：相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）第二十七页，共七十九页，2022年，8月28日(4)换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束第二十八页，共七十九页，2022年，8月28日(5)流体的热物理性质：热导率密度比热容动力粘度运动粘度第二十九页，共七十九页，2022年，8月28日综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：第三十页，共七十九页，2022年，8月28日对流换热分类小结第三十一页，共七十九页，2022年，8月28日4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例换热系数

的确定，目前主要有两种方法，即理论分析法和实验法。理论分析法有精确解法、近似积分法。实验研究法有相似原理和量纲分析法。量纲分析的基本依据是Π定理。其内容是：一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-r个独立的量纲物理量群的关系式。r指n个物理量中所涉及到的基本量纲的数目。第三十二页，共七十九页，2022年，8月28日试验是不可或缺的手段，然而，经常遇到如下两个问题:(1)变量太多相似原理及量纲分析1问题的提出A实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）B实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）(2)实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？相似原理将回答上述三个问题4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十三页，共七十九页，2022年，8月28日相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。3物理现象相似的特性同名特征数对应相等；各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：特征数方程：无量纲量之间的函数关系4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十四页，共七十九页，2022年，8月28日4物理现象相似的条件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、物理条件实验中只需测量各特征数所包含的物理量,避免了测量的盲目性——解决了实验中测量哪些物理量的问题按特征数之间的函数关系整理实验数据，得到实用关联式——解决了实验中实验数据如何整理的问题可以在相似原理的指导下采用模化试验

——解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十五页，共七十九页，2022年，8月28日5无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。“同名特征数对应相等”的物理现象相似的特性量纲分析法：在已知相关物理量的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十六页，共七十九页，2022年，8月28日a基本依据：定理，即一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换为包含n-r个独立的无量纲物理量群间的关系。r指基本量纲的数目。b优点:

(a)方法简单；(b)在不知道微分方程的情况下，仍然可以获得无量纲量4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十七页，共七十九页，2022年，8月28日量纲分析的第一步是列出与现象有关的全部物理量的方程。如对强制对流换热，根据前面的分析，有（，u，l，，，，cp）=0式中七个物理量涉及四个基本量纲：[M]，[L]，[T]，[Q/]。此处因物理量中[Q]与[]都以其组合[Q/]出现，故只能将[Q/]作为独立量纲。根据Π定理，可以用三（n–r）个准则的关系式表示，即（Π1，Π2，Π3）=04.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十八页，共七十九页，2022年，8月28日第二步是选定各准则的内耗表达式。每个准则由r+1个物理量组成，Π1=ua1lb1

c1

e1Π2=ua2lb2

c2

e2Π3=ua3lb3

c3

e3cp选定三个Π的共同项ualbce的原则是，它们必须包括所有四个基本量纲而自身不能组成无量纲数。这里的选择符号这个要求。在共同项外还留下三个物理量，将它们分别搭配到每个表达式上，组成五个物理量的幂次乘积。

4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例第三十九页，共七十九页，2022年，8月28日第三步根据Π必须是无量纲原则，解出待求幂次的数值，得出准则。4.3.2对流换热系数的各种关联式及应用举例Pr称为普郎特数Re称为雷诺数Nu称为努谢尔特数影响强制对流换热的因素最终归结为两个无量纲数：雷诺数Re及普朗特数Pr。

第四十页，共七十九页，2022年，8月28日2常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式第四十一页，共七十九页，2022年，8月28日4.4辐射换热(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。第四十二页，共七十九页，2022年，8月28日当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。3.

物体对热辐射的吸收、反射和穿透

物体对热辐射的吸收反射和穿透4.4.1

辐射换热的基本知识第四十三页，共七十九页，2022年，8月28日对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种镜反射漫反射辐射换热的基本知识第四十四页，共七十九页，2022年，8月28日1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。黑体模型辐射换热的基本知识第四十五页，共七十九页，2022年，8月28日辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。

(W/m2)；光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。

(W/m3)；E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Ebλ辐射换热的基本知识第四十六页，共七十九页，2022年，8月28日

式中，λ—

波长，m；T

—

黑体温度，K；

c1

—

第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；

c2—

第二辐射常数，1.4388×10-2WK；

(1)Planck定律(第一个定律)：图7-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。λm与T

的关系由Wien位移定律给出，Planck定律的图示4.4.1辐射换热的基本知识第四十七页，共七十九页，2022年，8月28日(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：

式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。(3)黑体辐射函数黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图所示：特定波长区段内的黑体辐射力4.4.1辐射换热的基本知识第四十八页，共七十九页，2022年，8月28日定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，(4)立体角4.4.1辐射换热的基本知识第四十九页，共七十九页，2022年，8月28日计算微元立体角的几何关系4.4.1辐射换热的基本知识第五十页，共七十九页，2022年，8月28日定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。

(5)定向辐射强度L(,)：定向辐射强度的定义图(6)Lambert定律它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，因此，Lambert定律也称为余弦定律。4.4.1辐射换热的基本知识第五十一页，共七十九页，2022年，8月28日Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:4.4.1辐射换热的基本知识第五十二页，共七十九页，2022年，8月28日1859年，Kirchhoff用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。板1是黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb,T1以及E,,T2，则当系统处于热平衡时，有平行平板间的辐射换热4.4.1辐射换热的基本知识第五十三页，共七十九页，2022年，8月28日

此即Kirchhoff定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：整个系统处于热平衡状态；如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将Kirchhoff定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式。4.4.1辐射换热的基本知识第五十四页，共七十九页，2022年，8月28日层次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，为天顶角漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面Kirchhoff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：指光谱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。4.4.1辐射换热的基本知识第五十五页，共七十九页，2022年，8月28日

两物体间的辐射换热量的计算

辐射换热计算示意图

把表面1发出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2

第五十六页，共七十九页，2022年，8月28日例4在一个大的加热导管中，安装一个热电偶测量通过导管流动气体的温度，导管壁温为425C，热电偶指示的温度为170C，气体与热电偶间的换热系数为50(W/m2)C热电偶材料的黑度为0.43，问：气体的温度是多少？解：由题可得T1=170C=443K，TW=425C=698K，=0.43，=50(w/m2)C，如图所示，当用热电偶测量温度时，高温气体以对流方式将热量传给热电偶，同时热电偶又以辐射方式将热量传给温度较低的容器壁。当热电偶的对流受热量等于其辐射热量时，热电偶的温度就不再变化，此温度即为热电偶的指示温度，即气体的温度。

两物体间的辐射换热量的计算第五十七页，共七十九页，2022年，8月28日F为管道内表面积，即：

Tf

=410.7K=137.7C

两物体间的辐射换热量的计算第五十八页，共七十九页，2022年，8月28日例5

直径为5cm的长管道从一房间内通过并且暴露于20C的空气中，管壁的温度为93C。如管道的黑度为0.6，试求每米管道的辐射热损失。

解：已知T1=93C=366K，T2=20C=293K，=0.6由于管道相对房间来讲，其表面积非常小，如假设管道和房间表面积分别为F1和F2，则可以认为F1/F20，故由式（4-49）得管道的与房间的辐射换热量或辐射热损失为

两物体间的辐射换热量的计算第五十九页，共七十九页，2022年，8月28日式中，L为管道的长度。故对每米管道的辐射热损失为

两物体间的辐射换热量的计算第六十页，共七十九页，2022年，8月28日4.4.3气体辐射（1）气体向外辐射的能量，取决于分子本身的结构，如单原子和分子结构对称的双原子气体，可以认为它们是透明体，既不向外辐射能量也不吸收外来的辐射能量，如空气、H2、O2等。但对于多原子气体（CO2、H2O）则有相当大的辐射力和吸收率；（2）气体只能辐射和吸收某一定波长间隔范围内的热射线，其他波长范围，它既不能辐射也不能吸收；例如CO2的主要吸收光谱有三段：2.65μm~2.8μm、4.14μm~4.45μm、13.0μm~17.0μm。（3）固体的辐射和吸收是在表面上进行的，而气体的辐射和吸收是在整个气体中进行。第六十一页，共七十九页，2022年，8月28日K表示单位距离内辐射力减弱的百分数，称为减弱系数，单位为（1／m）气体的单色吸收率可表示为第六十二页，共七十九页，2022年，8月28日4.4.4火焰辐射火焰除了总是存在着三原子气体辐射成分之外，还包含着具有强烈辐射能力的固体颗粒。按颗粒的不同，一般可区分为以下三种类型。1)不发光火焰当气体燃料或没有灰分的其他燃料燃烧时，得到略带蓝色而近于无色的火焰，通常称为不发光火焰。

2)发光火焰液体燃料及预先没有与空气充分混合的气体燃料燃烧时，由于烃类物质在高温下裂解时产生炭烟粒子，火焰发光。这种火焰称为发光火焰。

3)半发光火焰各种固体燃料燃烧时形成半发光火焰。

第六十三页，共七十九页，2022年，8月28日4.5发动机换热分析发动机中导热问题的求解方法第六十四页，共七十九页，2022年，8月28日4.5.2燃气与壁面间的辐射换热当发动机工作时，燃气对壁面的辐射换热在数值上要比对流换热小很多，但在某些情况下，例如存在火焰辐射时，辐射换热也将达到燃气对壁面总换热量的1/4~1/3；因此，辐射换热对零件热负荷的影响也不能忽略。发动机的燃气对周围壁面的辐射比一般气体辐射还要复杂，因为综合的发动机燃气辐射实际上包含了很多内容，其中最重要的两个方面就是：气体辐射和火焰辐射。第六十五页，共七十九页，2022年，8月28日发动机的燃烧火焰在性质上可以分为两种类型，一种是以气体燃料混合气的预混燃烧为代表的明线光谱火焰，另一种是以液体燃料蒸发扩散燃烧为代表的连续光谱火焰。前者因火焰透明发光很少，辐射量也