传热学绪论-课件

传热学绪论(Introduction)导热

（HeatConduction）对流传热（Convectionheattransfer）热辐射（Thermalradiation）综合传热非稳态导热（TransientConduction）导热问题数值解法（Numericalsimulationmethod)HeatTransfer1ppt课件2-1-1传热学概述2-2-2热量传递的基本方式2-2-3传热过程与热阻传热学2-1绪论2ppt课件一、什么是传热学研究热量传递规律的科学。热量传递的机理、规律、计算和测试方法热量传递过程的推动力：温差热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源。有温差就会有传热（TheSecondLawofThermodynamics）传热学2-1-1传热学概述二、传热学的重要性自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍3ppt课件人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？日常生活中的例子传热学2-1-1传热学概述在下列技术领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、环境、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…一支蜡烛为什么永远不能烧开一壶水？4ppt课件热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射传热学2-1-2热量传递的基本方式5ppt课件一、热传导（导热）heatconduction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。物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生传热学2-1-2热量传递的基本方式不发生宏观的相对位移1.定义和特征导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量6ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式2.导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。7ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式二、热对流(convection)与对流换热Heatedairrises,cools,thenfalls.

Airnearheateris

replacedbycoolerair,and

thecyclerepeats.

8ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式1.定义与特征定义：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——热对流。流体中有温差—

热对流必然同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程Convectionheattransfer9ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差2.对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式导热与热对流同时存在的复杂热传递过程10ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式3.分类对流换热按照不同的原因可分为多种类型是否相变，分为：有相变的对流换热和无相变的对流换热流动原因，分为：强迫对流换热和自然对流换热。流动状态，分为：层流和紊流。11ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式三、热辐射（Thermalradiation）1.定义——物体通过电磁波来传递热量的方式。

物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状况不同，其辐射能力不同辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递Radiationheattransfer12ppt课件传热学2-1-2热量传递的基本方式2.辐射换热的特点——不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量——在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换

物体热力学能电磁波能物体热力学能——无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温13ppt课件传热学2-1-3传热过程1.传热过程：热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。导热对流辐射对流传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成14ppt课件传热学2-1-3传热过程在数值上，传热系数等于冷、热流体间温差=1oC、传热面积A＝1m2时的热流量值，是一个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反之则越弱。为热流体与冷流体间的平均温差；k为传热系数，W/(m2

oC)。15ppt课件传热学2-2导热2-2-1导热的基本概念2-2-2导热的基本定律2-2-3导热系数2-2-4导热微分方程2-2-5一维稳态导热16ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念一、温度场和温度梯度1.温度场：（Temperaturefield）物质系统内各个点上温度的集合称为温度场，它是时间和空间坐标的函数，记为t—为温度;x,y,z—为空间坐标;

-时间坐标

17ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念稳态温度场稳态导热（Steady-stateconduction）非稳态温度场非稳态导热（Transientconduction）三维稳态温度场：一维温度场:18ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念2.等温面：温度场中温度相同点的集合称为等温面。其疏密程度可反映温度场在空间中的变化情况。tt-Δtt+Δt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等温面与等温线的特点：(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交(2)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中止，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上19ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念3.温度梯度（Temperaturegradient）等温面上没有温差，不会有热传递。不同的等温面之间，有温差，有导热温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的物理量。

20ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念

系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度梯度，记为gradt。或：温度沿温度变化方向上，温度的变化率——温度梯度注：温度梯度是向量；正向朝着温度增加的方向21ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念4.热流密度矢量（Heatflux）热流密度：单位时间、单位面积上所传递的热量，W/m2；热流密度矢量：等温面上某点，以通过该点处最大热流密度的方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热流密度22ppt课件传热学2-2-1导热的基本概念

温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的法线方向。由于热流是从高温处流向低温处，因而温度梯度和热流密度的方向正好相反。t+Δttt-Δt23ppt课件传热学2-2-2导热的基本定律1.傅里叶公式：热流量，单位时间传递的热量[W]q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量A：垂直于导热方向的截面积[m2]：平壁两侧壁温之差，℃λ热导率（导热系数），W/（m℃）Thermalconductivity24ppt课件传热学2-2-2导热的基本定律2.傅里叶定律的严格表述

t1

t20x

δndtdntt+dt负号是因为热流密度与温度梯度的方向不一致而加上傅里叶定律可表述为:系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度成正比而方向相反注：傅里叶定律只适用于各向同性材料

各向同性材料：热导率在各个方向是相同的25ppt课件传热学2-2-3导热系数（Thermalconductivity）傅利叶定律给出了导热系数的定义

:w/m·℃

导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位时间内单位面积的热量。

导热系数是物性参数，它与物质结构和状态密切相关，例如物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等，与物质几何形状无关。它反映了物质微观粒子传递热量的特性26ppt课件传热学2-2-3导热系数（Thermalconductivity）不同物质的导热性能不同：0˚C时：

当λ<0.2W/(m℃)时，这种材料称为保温材料。高效能的保温材料多为蜂窝状多孔结构。27ppt课件传热学2-2-3导热系数（Thermalconductivity）3.固体的λ：金属：2.3~417.6

W/(m℃)建材：0.16~2.2

W/(m℃)耐材：1.1~16

W/(m℃)隔热材料：<0.2

W/(m℃)1.气体的导热系数：0.0058~0.58W/(m℃)是分子热运动和相互碰撞的结果T，λ

，λ与压力无关，其值由实验测定2.液体的λ：0.093~0.7

W/(m℃)T，λ（水、甘油除外）28ppt课件传热学2-2-3导热系数（Thermalconductivity）

同一种物质的导热系数也会因其状态参数的不同而改变，因而导热系数是物质温度和压力的函数。

一般把导热系数仅仅视为温度的函数，而且在一定温度范围还可以用一种线性关系来描述29ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）一、导热微分方程的推导傅里叶定律：

建立导热微分方程，可以揭示连续温度场随空间坐标和时间变化的内在联系。

理论基础：傅里叶定律+能量守恒方程

30ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）假设：(1)所研究的物体是各向同性的连续介质

(2)热导率、比热容和密度均为已知

(3)物体内具有内热源；强度qv[W/m3];

内热源均匀分布；

导热体内取一微元体，根据能量守恒定律：单位时间净导入微元体的热量Qd加上微元体内热源生成的热量Qv应等于微元体焓的增加量

qv

表示单位体积的导热体在单位时间内放出的热量31ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）1、导入与导出微元体的净热量d时间内、沿x轴方向、经x表面导入的热量：d时间内、沿x轴方向、经x+dx

表面导出的热量：32ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）d时间内、沿x轴方向导入与导出微元体净热量d时间内、沿y轴方向导入与导出微元体净热量d时间内、沿z

轴方向导入与导出微元体净热量33ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）[导入与导出净热量]:傅里叶定律：34ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）2、d时间微元体内热源的发热量3、微元体在d时间内焓的增加量

35ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）若物性参数、c和均为常数：上式亦可写为：2为拉普拉斯算子

热扩散系数（导温系数），单位为

（Thermaldiffusivity）36ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）热扩散率a反映了导热过程中材料的导热能力（

）与沿途物质储热能力（

c）之间的关系.a值大，即值大或

c值小，说明物体的某一部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力，所以a反应导热过程动态特性，研究不稳态导热重要物理量a是材料传播温度变化能力大小的指标，因此又称导温系数。37ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）对于稳态温度场：此式常称为泊桑方程。如果无内热源存在:此式则称为拉普拉斯方程.38ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）二、导热过程的单值性条件导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律+能量守恒。它描写物体的温度随时间和空间变化的关系；没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。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、物理、初始、边界完整数学描述：导热微分方程+单值性条件39ppt课件传热学2-2-4导热微分方程（HeatDiffusionEquation）1、几何条件：说明导热体的几何形状和大小，如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等2、物理条件：说明导热体的物理特征如：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；3、初始条件：又称时间条件，反映导热系统的初始状态４、边界条件:反