第六章 第四、五、六节传热学讲稿

第六章第四、五、六节传热学讲稿第四节对流换热的基本原理对流换热是热量传递的三种基本方式之一，它发生在流体与固体表面之间，或不同温度的流体层之间。对流换热的本质是流体宏观运动携带热量的过程，同时伴随着流体内部的导热现象。根据流体运动的原因，对流换热可分为自然对流和强制对流两大类。自然对流是由于流体内部温度不均匀导致密度差异而产生的浮力驱动的流动。在自然对流中，流体运动是由温度场和重力场共同作用的结果，其换热强度与流体物性、温度差、几何形状等因素密切相关。典型的自然对流现象包括室内暖气片周围的空气流动、电子设备散热等。强制对流则是由外部机械力（如泵、风机等）驱动的流体流动。在工程应用中，强制对流换热更为常见，如汽车散热器、空调系统、化工设备中的换热过程等。强制对流的换热强度通常高于自然对流，其换热系数主要取决于流速、流体物性和换热表面的几何特性。对流换热的基本数学描述由牛顿冷却定律给出：q=h(T_wT_f)，其中q为热流密度，h为对流换热系数，T_w为壁面温度，T_f为流体特征温度。对流换热系数h是表征对流换热强度的关键参数，它受到多种因素的影响，包括流体性质（密度、粘度、导热系数、比热容等）、流动状态（层流或湍流）、换热表面几何形状和尺寸等。第五节对流换热的实验研究与准则关联式对流换热问题的研究方法主要包括理论分析、实验研究和数值模拟三种途径。其中，实验研究是获取对流换热数据、验证理论和数值模拟结果的重要手段。通过实验研究，可以建立各种准则关联式，为工程设计和计算提供依据。对流换热实验研究的基本原理是相似理论。根据相似理论，当两个物理现象相似时，它们的无量纲准则数应该相等。在对流换热中，常用的无量纲准则数包括：雷诺数（Re=ρuL/μ）：表示惯性力与粘性力的比值，是判断流动状态的重要参数。当Re<2300时为层流，Re>4000时为湍流，介于两者之间为过渡流。努塞尔数（Nu=hL/k）：表示对流换热强度与纯导热强度的比值，是衡量对流换热效果的无量纲数。格拉晓夫数（Gr=gβΔTL³/ν²）：表示浮力与粘性力的比值，是自然对流中的重要参数。通过实验数据整理，可以得到各种准则关联式。例如，对于管内充分发展的湍流换热，常用的DittusBoelter公式为：Nu=0.023Re^0.8Pr^n，其中n=0.4（加热时）或0.3（冷却时）。对于横掠单管的强制对流，常用的关联式为：Nu=CRe^mPr^1/3，其中C和m为与雷诺数有关的常数。实验研究中常用的测量方法包括：温度测量（热电偶、热电阻、红外热像仪等）、流速测量（皮托管、风速仪、激光多普勒测速仪等）、热流测量（热流计、量热法等）。现代实验技术如粒子图像测速技术（PIV）、激光诱导荧光技术（LIF）等为对流换热研究提供了更精确的测量手段。第六节辐射换热的基本定律与计算辐射换热是物体以电磁波形式传递能量的过程，它不需要介质存在，可以在真空中进行。所有温度高于绝对零度的物体都会向外辐射能量，同时也会吸收来自其他物体的辐射能。辐射换热在高温工程、航空航天、太阳能利用等领域具有重要应用。辐射换热的基本物理定律包括：1.普朗克定律：描述黑体单色辐射力与波长和温度的关系，即E_bλ=C1/(λ^5[e^(C2/(λT))1])，其中C1=3.742×10^16W·m²，C2=1.439×10^2m·K。普朗克定律是辐射换热理论的基础，它揭示了黑体辐射能量随波长分布的规律。2.斯特藩玻尔兹曼定律：黑体的总辐射力与其绝对温度的四次方成正比，即E_b=σT^4，其中σ=5.67×10^8W/(m²·K^4)为斯特藩玻尔兹曼常数。该定律表明，物体温度的微小变化会导致辐射能量的显著变化。3.维恩位移定律：黑体辐射光谱中最大辐射力对应的波长与绝对温度成反比，即λ_maxT=2898μm·K。该定律解释了为什么物体温度越高，其辐射光的颜色越偏向短波方向。4.基尔霍夫定律：在热平衡条件下，物体的吸收率等于其发射率，即α=ε。这一定律为实际物体辐射特性的研究提供了重要依据。实际物体的辐射特性与黑体不同，通常用发射率ε来描述实际物体辐射能力与黑体的比值。发射率是材料性质、表面状况、温度和波长的函数。根据发射率随波长的变化规律，物体可分为灰体（发射率与波长无关）和选择性辐射体（发射率随波长变化）。辐射换热的计算需要考虑物体间的几何关系、表面特性等因素。对于两个漫射灰表面之间的辐射换热，净辐射换热量可表示为：Q12=σ(T1^4T2^4)/(1/ε1A1+1/ε2A2+1/(A1F12))，其中F12为表面1对表面2的角系数，表示表面1发出的辐射能中到达表面2的比例。角系数的计算是辐射换热分析中的重要内容，它仅取决于表面的几何形状和相对位置。对于简单几何形状，角系数可通过代数法或图解法确定；对于复杂几何形状，则需要采用数值计算方法。在工程应用中，辐射换热往往与对流换热同时存在，这种复合换热问题需要综合考虑两种换热方式的影响。例如，在高温设备散热、建筑围护结构传热、太阳能集热器设计等问题中，都需要同时考虑辐射和对流的作用。对流换热系数的确定是工程传热计算中的核心问题。对于不同的换热条件，需要采用相应的准则关联式进行计算。在管内流动换热中，当雷诺数Re<2300时为层流状态，此时换热主要依靠分子扩散，努塞尔数Nu基本保持常数；当2300<Re<4000时为过渡区，流动状态不稳定，换热特性复杂；当Re>4000时为湍流状态，由于流体的强烈混合，换热强度显著提高。对于外部强制对流，如横掠圆柱体、球体或其他非流线型物体的流动，其换热特性与流动分离现象密切相关。在雷诺数较小时，流动不发生分离，换热较弱；随着雷诺数增大，流动开始分离，在物体后部形成涡旋区，换热增强；当雷诺数进一步增大时，湍流边界层形成，换热强度达到最大值。自然对流换热的特点是流速较低，换热系数相对较小。自然对流的流动形态取决于瑞利数Ra=Gr·Pr的大小。当Ra<10^3时，热量传递主要依靠导热；当10^3<Ra<10^9时，为层流自然对流；当Ra>10^9时，转变为湍流自然对流。自然对流换热在许多工程问题中具有重要意义，如电子设备散热、建筑物自然通风、太阳能集热器等。相变换热是对流换热中的特殊形式，包括沸腾换热和凝结换热。沸腾换热可分为核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾三个区域。核态沸腾时，气泡在加热表面不断和脱离，换热强度很高；膜态沸腾时，加热表面被蒸汽膜覆盖，换热强度急剧下降。凝结换热可分为膜状凝结和珠状凝结，其中膜状凝结的换热系数低于珠状凝结，但工程中更常见。对流换热的强化技术是提高换热效率的重要手段。常用的强化方法包括：增加换热面积（如采用扩展表面、翅片管等）；提高流速或湍流强度（如采用粗糙表面、扰流元件等）；改变流体物性（如添加纳米颗粒形成纳米流体）；利用外场作用（如电场、磁场、超声波等）。这些强化技术在能源、化工、制冷等领域得到广泛应用。辐射换热中的角系数计算是确定辐射换热量的关键步骤。角系数具有相对性、完整性和分解性等重要性质。对于两个凸表面组成的封闭系统，角系数F12+F22=1；对于由N个表面组成的封闭系统，∑Fij=1。利用这些性质，可以简化复杂几何条件下的角系数计算。实际工程中的辐射换热问题往往涉及多个表面、不同温度和发射率，此时需要建立辐射换热网络或采用数值方法进行求解。对于灰体表面间的辐射换热，可采用净辐射法或辐射网络法进行分析。辐射网络法将辐射换热问题类比为电路问题，通过建立热阻网络来求解各表面的辐射换热量。气体辐射具有选择性，不同气体对辐射的吸收和发射能力差异很大。二氧化碳和水蒸气是工程中最重要的辐射性气体，它们在某些波段具有较强的吸收和发射能力。气体辐射的容积效应使得其辐射换热计算比固体表面更为复杂，需要考虑气体层的厚度、温度分布和浓度分布等因素。太阳能辐射是辐射换热在可再生能源领域的重要应用。太阳辐射光谱主要集中在0.23.0μm的短波范围内，而常温物体的热辐射主要集中在350μm的长波范围内。这种光谱差异使得选择性表面在太阳能利用中具有重要作用。选择性吸收表面具有高的太阳吸收率和低的红外发射率，能够有效提高太阳能集热器的效率。辐射换热的控制技术在许多工程领域中具有重要意义。通过改变表面发射率、使用辐射屏、控制表面温度等方法，可以调节辐射换热的强度。在航天器热控制、建筑节能、高温设备防护等领域，辐射换热控制技术发挥着关键作用。例如，航天器采用低发射率涂层减少向太空的辐射散热，建筑采用LowE玻璃降低室内外辐射换热。在实际工程应用中，传热过程往往是多种传热方式同时存在的复合传热问题。例如，在锅炉、换热器、电子设备散热等典型工程设备中，导热、对流和辐射三种传热方式可能同时发生并相互影响。因此，工程传热分析需要综合考虑各种传热方式的贡献，建立完整的传热模型。传热学的数值计算方法为复杂传热问题的求解提供了有效工具。有限差分法、有限元法和有限体积法等数值方法能够处理各种几何形状和边界条件下的传热问题。随着计算机技术的发展，计算流体动力学（CFD）和计算传热学（NHT）已成为工程设计和研究的重要手段，能够准确预测温度场、流场和热流分布。传热学的实验研究仍然是验证理论和数值模拟结果的基础。现代测量技术如红外热像仪、激光干涉仪、粒子图像测速仪等为传热实验研究提供了高精度、非接触的测量手段。通过实验研究，可以获得各种条件下的传热数据，建立可靠的传热关联式，为工程设计提供依据。传热优化设计是提高能源利用效率的关键途径。通过优化传热表面的几何形状、改善传热介质的热物性、采用强化传热技术等方法，可以显著提高传热设备的性能。在能源、化工、制冷、航空航天等领域，传热优化设计对于节能减排、提高设备可靠性和经济性具有重要意义。随着新材料、新技术的发展，传热学的研究领域不断拓展。微纳尺度传热、生物传热、多相流传热等新兴领域为传热学注入了新的活力。微通道换热器、纳米流体、相变材料等新技术在电子冷却、能源利用、建筑节能等领域展现出广阔的应用前景。传热学作为一门基础学科，其理论和方法在工程实践中发挥着不可替代的作用。从日常生