2-1_传热学-绪论.ppt

1、传热学,绪论 (Introduction) 导热 （Heat Conduction） 对流传热（Convection heat transfer） 热辐射（Thermal radiation） 综合传热 非稳态导热（Transient Conduction） 导热问题数值解法（Numerical simulation method),Heat Transfer,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,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

2、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 （The Second Law of Thermodynamics）,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,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

3、与生物技术,一支蜡烛为什么永远不能烧开一壶水？,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,一、热传导（导热）heat conduction,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,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量,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

4、由电子运动。 非导电固体：晶格结构的振动。 液体：很复杂。,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,Heated air rises, cools, then falls. Air near heater isreplaced by cooler air, andthe cycle repeats.,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

5、与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程 Convection heat transfer,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,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。,传热学,2-1-2 热量传递的基本方式,三、热辐射（Thermal radi

6、ation） 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 Radiation heat transfer,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,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,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。,传热过程

7、通常由导热、热对流、热辐射组合形成,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=1 oC、传热面积A1 m2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)。,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,传热学,2-2-1 导热的基本概念,一、温度场和温度梯度,传热学,2-2-1 导热的基本概念,三维稳态温度场：,一维温度场:,传热学,2-2-1 导热的

8、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。,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,传热学,2-2-1 导热的基本概念,3.温度梯度（Temperature gradient）,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。,传热学,2-2-1 导热的基本概念

9、,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,传热学,2-2-1 导热的基本概念,4.热流密度矢量（Heat flux）,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,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。,传热学,2-

10、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，,热导率（导热系数），W/（m）,Thermal conductivity,传热学,2-2-2 导热的基本定律,2. 傅里叶定律的严格表述,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,传热学,2-2-3 导热系数（ Thermal conductivity ）,傅利叶定律给

11、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,传热学,2-2-3 导热系数（ Thermal conductivity ）,不同物质的导热性能不同：,0C时：,当0.2 W/(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。,传热学,2-2-3 导热系数（ Thermal conductivity ）,3. 固体的： 金属：2.3417.6 W/(m) 建材：0.162

12、.2 W/(m) 耐材：1.116 W/(m) 隔热材料： 0.2 W/(m),1.气体的导热系数：0.00580.58 W/(m) 是分子热运动和相互碰撞的结果 T， ， 与压力无关，其值由实验测定,2. 液体的：0.0930.7 W/(m) T， （水、甘油除外）,传热学,2-2-3 导热系数（ Thermal conductivity ）,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,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,

13、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,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat

14、 Diffusion Equation）,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：,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,导入与导出净热量:,傅里叶定律：,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion

15、 Equation）,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,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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

16、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。,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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 .,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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

17、热微分方程 + 单值性条件,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,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,、边界条件:反映导热系统在界面上的特征，也可理解为系统与外界环境之间的关系。,传热学,2-2-4 导热微分方程（Heat Diffusion Equation）,（Boundary conditions）边界条件常见的有三类,（）第一类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度分布，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值,（2）第二类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度梯度，即相当于给定边界上的热流密度，它可以是时间和空间的函数，也可