《热传导与对流现象》课件

热传导与对流现象热量传递的物理过程及应用探究目录1热传递基础热传递的定义及三种基本形式2热传导传导原理、傅里叶定律、应用案例3热对流对流换热、边界层理论、无量纲准则4综合应用工程问题、建筑节能、未来展望第一部分：热传递基础热辐射电磁波形式传递热量热对流流体运动携带热量热传导分子热运动传递能量热传递的定义热力学第二定律热量自发从高温流向低温能量传递因温差存在的能量转移过程热平衡系统最终达到均匀温度状态热传递的三种基本形式热传导无宏观物质移动的热量传递热对流流体运动携带热量的传递热辐射通过电磁波传递热量热传导、热对流、热辐射的比较传递方式传递介质温度关系热传导固体为主线性关系热对流流体非线性关系热辐射不需介质四次方关系第二部分：热传导1微观机理分子热运动和能量传递2数学模型傅里叶定律及导热微分方程3工程应用绝热设计、散热器优化热传导的定义微观本质分子、原子、电子热运动传递方向从高温区域向低温区域关键特征无宏观物质流动热传导的基本原理温差形成系统内建立温度梯度分子碰撞高能分子向低能分子传递能量能量迁移热能从高温向低温区域流动平衡达成温度梯度消失，热平衡建立傅里叶定律数学表达q=-k·(dT/dx)热流密度正比于温度梯度负号表示热量流向温度降低方向物理意义描述导热过程的基本规律热导率k反映材料导热能力适用于稳态导热分析热导率的概念401W/(m·K)铜的热导率金属导热性能优异0.024W/(m·K)空气热导率气体导热性能较差0.03W/(m·K)保温材料绝热设计使用低导热材料影响热导率的因素温度大多数材料热导率随温度变化压力气体热导率受压力影响显著材料成分组成和纯度影响导热性能微观结构晶格排列、孔隙率影响热传递固体中的热传导金属自由电子是主要热载体导热性能优异非金属晶体晶格振动（声子）传递热量导热性能中等多孔材料气体填充孔隙降低导热性用于保温隔热液体中的热传导分子碰撞流体分子间能量交换局部流动微小对流效应增强热传递热扩散温度梯度驱动热量流动介观结构液体分子排列影响导热性气体中的热传导分子平均自由程分子间平均运动距离影响导热分子运动速度温度越高，分子运动越剧烈压力影响高压下导热性能提高分子量效应轻质气体导热性能更好一维稳态热传导平壁热传导温度分布平壁内温度呈线性分布T(x)=T₁+(T₂-T₁)·x/L热流密度q=k·(T₁-T₂)/L热流与壁厚成反比热阻概念R=L/(k·A)热阻越大，传热能力越弱圆筒壁热传导径向温度分布T(r)=C₁ln(r)+C₂热流计算q=2πkL(T₁-T₂)/ln(r₂/r₁)热阻表达R=ln(r₂/r₁)/(2πkL)工程应用管道传热、电缆散热设计复合壁热传导1串联热阻多层平壁：R总=R₁+R₂+...+Rₙ2等效热导率keq=L/(L₁/k₁+L₂/k₂+...+Lₙ/kₙ)3热流密度q=(T₁-T₂)/R总4界面温度通过热阻比例确定各层间温度临界绝热厚度现象描述圆柱表面添加绝热层热损反而增加物理解释表面积增加导致散热面积增大临界半径rcr=k/h（导热系数/表面换热系数）工程意义小直径管道绝热设计考虑临界厚度扩展面的热传导基本原理增加传热表面积提高散热能力温度分布沿肋片长度呈非线性递减肋片效率实际散热量与理想散热量比值应用实例散热器、CPU散热片、换热器非稳态热传导特点温度场随时间变化温度有时间滞后现象控制方程∂T/∂t=α∇²Tα为温度扩散率：α=k/(ρc)解析方法集总参数法分离变量法傅里叶级数展开热传导数值解法简介网格划分将计算域离散为有限个单元离散方程将微分方程转化为代数方程组迭代求解通过迭代算法求解大型方程组后处理结果可视化与物理分析热传导应用实例建筑保温低导热材料减少能源损失电子设备散热高导热材料快速导出热量低温工程多层绝热防止热量渗入第三部分：热对流工程应用换热器、空调、散热系统计算方法无量纲准则关联式边界层理论流体力学与热力学结合基本原理流体运动携带热量热对流的定义宏观物质迁移流体质点运动携带热量热量交换固体表面与流体间的热量传递传热机制热传导与流体流动共同作用热对流的基本原理表面形成流体边界层流体与壁面接触形成速度和温度梯度近壁面微层传导紧贴壁面的流体层通过传导交换热量对流携带热量流体运动将热量带离或带向表面宏观热量迁移整体表现为对流换热过程对流换热系数定义q=h·(Tw-T∞)单位面积、单位温差的传热速率物理含义表征对流传热能力的强弱数值越大，对流换热越强数量级自然对流：3-25W/(m²·K)强制对流：25-250W/(m²·K)相变换热：2500-100000W/(m²·K)影响对流换热的因素流体速度速度增加，换热系数提高表面几何形状、尺寸影响边界层发展温差大小自然对流中温差决定浮力大小流体性质粘度、热导率、比热影响换热流动状态湍流换热强于层流对流换热的分类流动驱动力自然对流（浮力）vs强制对流（外力）2流动状态层流换热vs湍流换热流动位置内部对流（管内）vs外部对流（管外）相变状态单相流体换热vs相变换热（沸腾、冷凝）自然对流温差形成物体与周围流体间形成温差密度变化流体加热后密度降低浮力产生密度差引起浮力驱动流动自然循环浮力驱动流体循环移动强制对流驱动方式外力（泵、风机、自然风）驱动流体流动流动特点流速较高，换热系数大边界层特性强迫流动控制边界层厚度应用广泛换热器、空调、散热器层流与湍流层流流体按平行层流动分子扩散为主要传热机制雷诺数低（Re<2300）换热系数相对较小湍流流体无规则脉动涡旋混合增强传热雷诺数高（Re>4000）换热系数显著提高边界层理论1边界层概念普朗特1904年提出2基本思想流体粘性效应集中在壁面附近薄层内3边界层分类速度边界层和温度边界层4理论意义简化了流体力学和传热学分析速度边界层定义速度从零增加到主流速度的流体区域厚度速度达到主流速度99%处的距离发展过程从前缘开始逐渐增厚换热影响速度梯度影响对流换热强度温度边界层无量纲准则数相似理论不同尺度系统间的传热相似性物理意义反映不同物理量比值实验关联建立换热系数经验公式工程应用简化计算，指导设计努塞尔数定义Nu=hL/k物理意义对流换热与纯传导换热之比相关性Nu=f(Re,Pr,Gr)应用计算对流换热系数h雷诺数<2300层流区域流体按照平行层流动2300-4000过渡区域层流与湍流共存状态>4000湍流区域流体无规则脉动混合普朗特数定义Pr=ν/α=μcp/k动量扩散率与热扩散率之比物理意义反映速度场与温度场相对发展速度Pr小：热扩散快Pr大：动量扩散快数值范围气体：Pr≈0.7水：Pr≈7液态金属：Pr≈0.01油：Pr≈100-1000格拉晓夫数定义Gr=gβ(Ts-T∞)L³/ν²物理意义浮力与粘性力之比自然对流描述自然对流强度的关键参数流态判断Gr·Pr决定自然对流层流/湍流状态管内强制对流换热入口段边界层发展区域，换热强烈热力发展段速度已发展但温度场仍在发展充分发展段速度和温度分布形状不再变化计算公式不同流动条件下的Nu关联式管外强制对流换热平板流动边界层沿程发展，局部换热系数沿流程减小横掠圆柱流动分离与尾流影响换热分布管束流动前排管干扰后排，换热增强自然对流换热计算情况关联式适用范围垂直平板Nu=C(Gr·Pr)ⁿ层流/湍流水平圆管Nu=C(Gr·Pr)ᵐ10⁴-10⁹封闭空间Nu=f(Ra,H/L)不同几何形状相变换热：沸腾自由对流沸腾低过热度下气泡自然上升核态沸腾气泡不断生成，换热增强过渡沸腾部分液膜破裂，换热恶化膜态沸腾表面被蒸气膜覆盖，换热减弱相变换热：冷凝膜状冷凝液膜覆盖整个表面液膜形成热阻常见于光滑亲水表面滴状冷凝液滴分散分布热阻小，换热强需特殊疏水表面换热器概述功能作用实现两种流体间的热量交换应用领域能源、化工、暖通、电子冷却性能指标换热量、效率、压降、体积设计要点满足传热、流动、结构等多方面要求换热器的类型换热器的设计计算热力学分析确定换热量需求传热计算确定换热面积与总传热系数流动分析计算压降并确定流道设计结构设计考虑机械强度、热膨胀、制造工艺第四部分：热传导与对流的综合应用新能源应用太阳能、储能、热管理技术电子散热高功率密度散热设计建筑节能围护结构保温隔热4工业换热换热器与传热设备传热过程的整体分析复合传热多种传热方式共同作用整体传热系数综合考虑导热和对流阻力温度分布确定系统内各点温度热力分析热平衡与能量守恒热阻网络法建立热阻网络传热路径表示为热阻串并联分析热阻关系确定串并联结构和热阻计算计算总热阻R总=R₁+R₂+...（串联）1/R总=1/R₁+1/R₂+...（并联）确定热流和温度q=ΔT/R总利用热阻分配确定中间温度传热的数值模拟方法几何建模构建计算领域几何模型网格划分将连续区域离散为计算单元模型设置材料属性、边界条件、求解设置数值求解计算温度场和流场分布4结果分析温度分布、热流分析、参数优化工程中的传热问题能源系统锅炉、冷凝器、热交换器化工生产反应器温控、蒸发器、冷冻交通运输发动机冷却、空调系统建筑节能与传热围护结构传热墙体、门窗、屋顶隔热减少冬季热损失，夏季热增益保温材料低导热率多孔材料岩棉、玻璃棉、挤塑板热桥效应结构薄弱处热量快速传递需特殊设计减少热桥电子设备散热设计热源识别确定发热元件功率密度传热路径优化降低导热和接触热阻散热器设计扩展表面积增强对流换热风扇与流道强制对流提高换热系数热交换系统优化性能评