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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。 81 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,W l: 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】 q:单位时间通过单位面积的热流量称为平壁的【导热热阻】，表示物体对导热的阻力，单位为K/W 。 82 热对流热
2、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。【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】:F = Ah(tw tf) q = h(tw tf) h 称为对流换热的【表面传热系数】（习惯称为对流换热系数），单位为W/(m2K)。 【对流换热热阻：】称为对流换热热阻，单位为 W/K。表面传热系数的影响因素： h 的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有关： （1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热容等）；（2）流体流动的形态（层流、紊流）；（3）流动的成因（自然对流或受迫对流）；（4）物体表面的形
3、状、尺寸；（5）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 某介质中的光速, m/s 为真空中的光速;n 为介质的折射率。 l 波长, 常用mm为单位, 1mm = 10-6 m。 n 频率, 单位 1/s。电磁波的波谱：g 射线：l 510-5 mmX射线： 510-7 l 510-2 mm紫外线： 410-3 l 0.38 mm可见光： 0.38 l 0.76 mm红外线： 0.76 l 103 mm 微波： 103l 106 mm 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
4、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0.1mm至100mm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）物体间以热辐射的方式进行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。 84 传热过程 （
5、1）左侧的对流换热 （2）平壁的导热 （3）右侧的对流换热 在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得 式中，Rk称为【传热热阻】。【传热系数】 单位为W/(m2K) 通过单位面积平壁的【热流密度】为 第九章导 热9-1 导热理论基础 1. 导热的基本概念（1）【温度场】在t 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，其中的导热称为稳态导热。 t =f (x,y,z) 0一维温度场 t =f(x,) t =f (x)二维温度场 t =f(
6、x,y,) t = f(x,y)三维温度场 t =f (x,y,z,) t =f(x,y,z)（2）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），或者终止于物体的边界，不可能在物体中中断。（3）温度梯度在温度场中，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
7、剧烈。 gradt =（4）热流密度 q =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=j+k2. 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=-gradt=-n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： q=-对于各向同性材料, 各方向上的热导率l相等。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
8、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10-1210-15s)激光瞬态加热等, 傅立叶定律不再适用。 3. 热导率（导热系数）热导率物质导热能力的大小。根据傅里叶定律表达式, =物质的热导率在数值上具有下述特点: (1) 对于同一种物质, 固态的热导率值最大,气态的热导率值最小； (2)一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
9、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： = ，l0为按上式计算的0下的热导率值保温材料（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350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
10、和湿度有关。一般情况下密度和湿度愈大，热导率愈大。= 称为热扩散率, 也称导温系数, 单位为m2/s。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 50-415 W/mK 合金 12-120 W/mK 非金属固体 1-40 W/mK 液体(非金属) 0.17-0.7 W/mK 绝热材料 0.03-0.12 W/mK 气体 0.007-0.17 W/mK 4. 导热问题的数学描述（数学模型） 建立数学模型的目的：求解温度场 t =f(x,y,z,)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
11、：1）物体由各向同性的连续介质组成；2）有内热源，强度为 ，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。v 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(l、r、c、a等)的数值
12、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）： t=f(x,y,z)4)边界条件 (a) 第一类边界条件 =fx,y,z)(b) 第二类边界条件 =- (c) 第三类边界条件 -=h(-)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。第十章 对流换热1. 牛顿冷却公式F = A hq = h( twtf ) h整个固体表面的平均表面传热系数;tw固体表面的平均温度;tf 流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁
13、面的流体主流温度；对于内部流动，tf 取流体的平均温度。2. 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：(1) 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）。 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，因此紊流对流换热要比层流 对流换热强烈，表面传热系数大。(3) 流体有无相变 沸腾换热 凝结换热(4) 流体的物理性质1）热导率l，W/(mK)， l愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈； 2）密度r，kg/m3 3）比热容c，J/(kgK)。 rc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；4）动力粘度h，Pas；运动粘度nh/r，m2/s。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，K1。= =- 对于理想气体
