工程热力学复习2 传热学8

1、第二篇传热学第八章热量传递的基本方式热量传递有三种基本方式:热传导，热对流， 热辐射。8 - 1热传导在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。大平壁的一维稳态导热特点：1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度；2.平壁 温度只沿垂直于壁面的方向发生变化；3.平壁温度不随时间改变；4.热量只沿着垂直于壁面的方 向传递。【热流量】：单位时间导过的热 量, Wt t=A人 w1w25人:材料的【热导率(导热系数)】：表明材料的导热能力，W/(mK)。【热流密度】贝单位时间通过单位面积的热流量中 t t q = A wi w2w A5O = A 人

2、 w1 w 2 = w1 c w 2 = w1 w 258人A人5R =入A尤称为平壁的【导热热阻】，表示物体对导 热的阻力，单位为K/W。2热对流热对流：由于流体的宏观运动使不同温度的流体 相对位移而产生的热量传递现象。1=1【对流换热】：流体与相互接触的固体表面之间的 热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方 式共同作用的结果。【牛顿冷却公式】：Ah(t t)q = h(t t)h称为对流换热的【表面传热或数(习惯称为 对流换热系数)，单位为W/(m2K)。【对流换热热阻：】RhO = Ah (t t ) = w f w f 1AhR = 1单位为W/K。h A称为对流换热热阻 表面传热

3、系数的影响因素：h的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有 关：流体的物性(热导率、粘度、密度、比热容等)；流体流动的形态(层流、紊流)；流动的成因(自然对流或受迫对流); 物体表面的形状、尺寸；换热时流体有无相变(沸腾或凝结)。83热辐射辐射现象的两种理论电磁理论与量子理论 电磁波的数学描述：C = x Vc 某介质中的光速，c = c。/nCo 3x108m/s为真空中的光速；n为介质的折射率。人一波长，常用pm为单位，1pm = 10-6 m。v 频率，单位1/s。人 5X10-5 呻 5X10-7 人 5X10-2 呻 4X10-3 人 0.38 呻 0.38 人 0.76 呻 0.76

4、 人 103呻电磁波的波谱：Y射线：X射线：紫外线：可见光：红外线：无线电波：103人 106 pm微波：微波炉就是利用微波加热食物，因微波可穿透 塑料、玻璃和陶瓷制品，但会被食物中水分子吸 收，产生内热源，使食品均匀加热。【热辐射】由于物体内部微观粒子的热运动而 使物体向外发射辐射能的现象。日常生活热辐射的波长主要在0.1pm至 100呻之间，包括部分紫外线、可见光和部分红 外线三个波段。热辐射的主要特点：（1）所有温度大于0 K的物体都具有发射热辐 射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。（2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，（3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传 播；（4）物体

5、间以热辐射的方式进彳亍的热量传递 是双向的。【辐射换热】：以热辐射的方式进行的热量交 换。辐射换热的主要影响因素：（1）物体本身的温 度、表面辐射特性；（2）物体的大小、几何 形状及相对位置。8 - 4传热过程（1 ）左侧的对流换热t t t t中=Ah （t t ） = wi f i = wi f i1 w1 f 11 Rh一1Ah（2）平壁的导热1wlw 2R力-AX tw1 tw 2 = tw1 - tw 2 t T 88AX 2一* 2Rh2(3)右侧的对流换热中=Ah (t t ) = w2 一 f 2 1 w 2 f 21Ah2在稳态情况下，t t=Y f L f 28+=以上三式

6、的热流量相同，可得tf 1 f 2 *f 1 :f 2R + R + R hlRAh AX Ahl式中Rk=R +RX h 2kRk称为【传热热阻】。+Rh 21181+【传热系数】 h兀h单位为W/(m2.K)通过单位面积平壁的【热流密度】为q = k ( -t ) = i f 1 x f 2 -f 1 f 281h X h第九章导热1导热理论基础导热的基本概念【温度场】在时刻，物体内所有各点的 温度分布称为该物体在该时刻的温度场。一般温度场是空间坐标和时间的函数。【非稳态温度场】：温度随时间变化的温度场，其 中的导热称为非稳态导热。【稳态温度场】：温度不随时间变化的温度场，其 中的导热称为

7、稳态导热。21 _0 d t t =f (x) t = f(x,y) t =f(x,y,z)t =f (x,y,z)一维温度场t =f(x, T ) 二维温度场t =f(x,y,T) 三维温度场t =f (x,y,z,)等温面与等温线 在同一时刻，温度场中温度相同的点连成的线或 面称为等温线或等温面。等温面上任何一条线都 是等温线。如果用一个平面和一组等温面相交, 就会得到一组等温线。温度场可以用一组等温面 或等温线表示。等温面与等温线的特征：同一时刻，物体中温度不同的等温面或等温线 不能相交；在连续介质的假设条件下，等温面(或I3J等温线）或者在物体中构成封闭的曲面（或曲线）， 或者终止于物

8、体的边界，不可能在物体中中断。温度在温度场中，温度沿X方向的变化率（即偏导数）。等温面法线方向的温度变化率最大，温度变化最剧烈。 gradt =竺_更j _色k dx dyJ dz（4）热流密度q =至热流密度矢量的方向指向温度降低的方向。在直角坐标 系中，热流密度矢量可表示为q=qjqj+qk导热的基本定律傅里叶定律，指出了导热热流密度矢量与温度梯度之间 的关系。对于各向同，性物体，付里叶定律表达式为q=-入 gradt=-入 Ddn傅里叶定律表明，导热热流密度的大小与温度梯度的绝 对值成正比，其方向与温度梯度的方向相反。标量形式的付里叶定律表达式为： 对于各向同性材料，各方向上的热导率相等

9、。q=-入at傅里叶定律的适用条件：（1）傅里叶定律只适用于各向同性物体。对于各向异 性物体，热流密度矢量的方向不仅与温度梯度有 关,还与热导率的方向性有关,因此热流密度矢 量与温度梯度不一定在同一条直线上。（2）傅立叶定律适用于工程技术中的一般稳态和非稳态导热问题，对于极低温（接近于0K）的导热问题和 极短时间产生极大热流密度的瞬态导热过程,如大功 率、短脉冲（脉冲宽度可达10-12 10-15S）激光瞬态加热 等，傅立叶定律不再适用。热导率（导热系数）热导率物质导热能力的大小。才艮据傅里叶定律表达式，入=- gradt物质的热导率在数值上具有下述特点：（1）对于同一种物质，固态的热导率值最

10、大,气态的 热导率值最小；（2） 般金属的热导率大于非金属的 热导率；（3）导电性能好的金属,其导热性能也好；（4）纯金属的热导率大于它的合金；（5）对于各向异性 物体,热导率的数值与方向有关；（6）对于同一种物 质，晶体的热导率要大于非定形态物体的热导率。 温度对热导率的影响：纯金属的热导率随温度的升高而减小。一般合金和非金属 的热导率随温度的升高而增大。大多数液体（水和甘油除 外）的热导率随温度的升高而减小。纯金属的热导率随温 度的升高而减小。在工业和日常生活中常见的温度范围内，绝大多数材料 的热导率可以近似地认为随温度线性变化，表示为：入三1 -二匚，人0为按上式计算的0C下的热导率值

11、保温材料（或称绝热材料）：用于保温或隔热的材料。国家标准规定，温度低于350C 时热导率小于0.12 W/（mK）的材料称为【保温材料】 多孔材料的热导率随温度的升高而增大。多孔材料的热导率与密度和湿度有关。一般情况下密度和湿度愈大, 热导率愈大。a=称为热扩散率，也称导温系数，单位为m2/so其大小反映物体被瞬态加热或冷却时温度变化的快慢。典型材料热导率的数值范围纯金属合金非金属固体 液体（非金属） 绝热材料 气体50-415 12-120 1-400.17-0.70.03-0.120.007-0.17W/m-KW/m-KW/m-KW/m-KW/m-KW/m-K导热问题的数学描述（数学模型）

12、建立数学模型的目的：求解温度场t =f（x,y,z, T ）导热数学模型的组成：导热微分方程式+单值性条件（1）导热微分方程式的导出（2）依据：能量守恒和傅里叶定律。假设：1）物体由各向同性的连续介质组成；2）有内热源，强度为中，表示单位时间、单位体积内的生成热，单位为W/m3。步骤：1）根据物体的形状选择坐标系，选取物体中的微元体作为研究对象；2）根据能量守恒，建立微元体的热平衡方程式；3）根据傅里叶定律及已知条件,对热平衡方程式进行归纳、整理，最后得出导热微分方程式。单值性条件一般包括：几何条件、物理条件、时 间条件、边界条件。1）几何条件说明参与导热物体的几何形状及尺寸。几何条件决定温

13、度场的空间分布特点和分析时所采用的坐标系。2）物理条件说明导热物体的物理性质，例如物体有无内热源以及内 热源的分布规律，给出热物性参数（人、p、c、a等）的数 值及其特点等。3）时间条件说明导热过程时间上的特点，是稳态导热还是非稳态导 热。对于非稳态导热，应该给出过程开始时物体内部的 温度分布规律（称为初始条件）：=f（x,y，z）4）边界条件（a）第一类边界条件t尸f（tX,y,z）（b）第二类边界条件第十章对流换热第十章目前应用最广泛的求解导热问题的方法:（1）分析解 法；（2）数值解法；（3）实验方法。这也是求解所有传热 学问题的三种基本方法。牛顿冷却公式中=A h（ gtf）q=h（

14、W）h整个固体表面的平均表面传热系数;t 固体表面的平均温度；wt 流体温度，对于外部绕流，t取远离壁面的流体主流 温度；对于内部流动，匕取流体的平均温度。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，主要有以下五个方面：流动的起因：影响流体的速度分布与温度分布。强迫对流换热自然对流换热一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通 常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。(2)流动的状态层流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面方向流动， 垂直于流动方向上的热量传递主要靠分子扩散(即导热)。j紊流：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流 体之间迅速混合，因此紊流对

15、流换热要比层流 对流换热强烈，表面传热系数大。流体有无相变沸腾换热凝结换热流体的物理性质 热导率人，W/(mK)，人愈大，流体导热热阻愈小， 对流换热愈强烈；密度 p, kg/m3比热容c，J/(kgK)。pc反映单位体积流体热容量 的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对 流换热愈强烈；动力粘度n Pa-s;运动粘度v = n/p, m2/so 流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热;5）体胀系数a, K-1。1ap)斑 p=a = l 三 Iv at p p对于理想气体，pv=RT,代入上式，可得a =1/T体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升 力的大小，因此影响

16、自然对流换热。定性温度对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数值 主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。称 为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的取法 取决于对流换热的类型。（5）换热表面的几何因素换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度 等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速 度分布和温度分布，对对流换热产生影响。面.影响对流换热的因素很多，表面传热系数是很多变量的 函数，h=f（u，tw，tp入 P，c,n,a,l,。）a :特征长度（定型尺寸）。:几何因素对流换热的主要研究方法厂分析法数值法 试验法 比拟法理论分析、数值计算和实验研究 相结合是目前被广泛

17、采用 的解决复杂对流换热问题的主要研究方式。2对流换热的数学描述对流换热微分方程假设：（a）流体为连续性介质。当流体的分子平均自由行程i与热壁面的特征长度l相比非常小，一般努森数Kn=/l = 10-3时，流体可近似为连续性介质。（b）流体的物性参数为常数，不随温度变化；（c）流体为不可压缩性流体。通常流速低于四分之一声 速的流体可以近似为不可压缩性流体；（d）流体为牛顿流体，即切向应力与应变之间的关系为线性，遵循牛顿公式：t =n竺（e）流体无内热源，忽略粘性耗散产生的耗散热；面.（f）二维对流换热。紧靠壁面处流体静止，热量传递只能靠导热，qq入描写速度场和温度场的微分方程。1）连续性微分方

18、程（质量守恒）竺+竺=0dx dy2）动量微分方程（动量守恒）X方向：P （主+U竺+V竺）=已一暨+ n （墅+竺）d T dx dy J dx dx2 dy2=成芝+ n疔udi x况y方向：P （*+u竺+v竺）=e，竺+ n （立+互）d T dx dy y dy dx2 dy2pE=el 竺 + n v2 vd T y3）能量微分方程（能量守恒）P c（21 +u竺 +v空）=入 G+呈）P 。T dx dydx2 dy2对流换热的单值性条件1）几何条件说明对流换热表面的几何形状、尺寸，壁面与流体 之间的相对位置，壁面的粗糙度等。2）物理条件说明流体的物理性质、物性参数的数值及其变化

19、规律、有无内热源以及内热源的分布规律等。3）时间条件说明对流换热过程是稳态还是非稳态。对于非稳态,应给出初始条件（过程开始时的速度、温度场）4）边界条件第一类边界条件给出边界上的温度分布规律：0=f（x,y,z, t）第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律：qw=f（x,y,z, t）第十一章辐射换热吸收、反射与透射辐射：单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能。G w/m2吸收辐射:G反射辐射:G 透射辐射:GG -气G吸收比或=g反射比 G透射比T -君G + G + G = Ga + p+T = 1垢果投入箱射是某一波长人的辐射能ga，则Ga = Aa入 G光谱吸收比比七G人办卜G办0 人注意：GGGt = AtP 入 _ GAG a光谱反射店 光谱透射比II8 G dA0 A取决于物体的面.（1 ）七，P入七属于物体的辐射特性 种类、温度和表面状况，是波长的函数。a，p，T不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的 波长分布有关。（2）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于 表面效应。金属：表面层厚度小于1呻；绝大多数非 金属：表面层厚度小于1mm。