传热基本概念和定律课件

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1、7/21/2024火箭发动机传热学火箭发动机传热学Rocket Heat Transfer学学 分：分： 2教教 师：师： 陈陈 雄雄职职 称：称： 讲讲 师师联系方法：联系方法： 84315456 7/21/2024学习内容安排学习内容安排l第一讲第一讲 传热基本概念和定律传热基本概念和定律l第二讲第二讲 导热基本定律及稳态导热导热基本定律及稳态导热l第三讲第三讲 非稳态导热非稳态导热l第四讲第四讲 对流换热对流换热l第五讲第五讲 辐射换热辐射换热l第六讲第六讲 固体火箭发动机中的传热基本知识固体火箭发动机中的传热基本知识l第七讲第七讲 固体火箭发动机中的热传导固体火箭发动机中的热传导 l第

2、八讲第八讲 固体火箭发动机中的对流换热固体火箭发动机中的对流换热l第九讲第九讲 固体火箭发动机中的辐射换热与复合换热固体火箭发动机中的辐射换热与复合换热l第十讲第十讲 固体火箭发动机燃烧室的热防护固体火箭发动机燃烧室的热防护l第十一讲第十一讲 固体火箭发动机喷管的热防护固体火箭发动机喷管的热防护l第十二讲第十二讲 数值传热学概述数值传热学概述7/21/2024参参 考考 书书l 教教 材：材：固体火箭发动机传热学固体火箭发动机传热学郑亚等编著郑亚等编著l 辅助教材：辅助教材：传热学传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版杨世铭、陶文铨编著，第三版l数值传热学数值传热学 陶文铨编著陶文铨编著l Hea

3、t Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Millsl Heat Transfer , by J.P.Holman7/21/2024考考 核核 方方 法法l平时成绩平时成绩: 30% (包括：出勤及小测验包括：出勤及小测验)l期末考试期末考试: 70%7/21/2024第一讲第一讲 传热基本概念传热基本概念 和定律和定律 7/21/2024 (1) (1) 研研究究热热量量传传递递规规律律的的科科学学，具具体体来来讲讲主主要要有有热热量量传传递递的的机机理、规律、计算和测试方法理、规律、计算和测试方法 (2) (2) 热量传递过程的推动力：热量传递过程的推

4、动力：温差温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给 低温热源低温热源 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量温差是热量 传递的推动力传递的推动力 1 概概 述述1.1 传热学（Heat Transfer）7/21/20241.2 传热学与工程热力学的关系(1) 热力学热力学 + 传热学传热学 = 热科学热科学(Thermal Science) 系统从一个平衡态到系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程另一个平衡态的过程中传递热量的多少。中传递热量的多少。 关心的是热量传关心的是热量传递的过程，即热递的过程，即热量传递的速率。量传递的速率。

5、热力学：热力学： 热传递过程总的热量，以及热传递过程总的热量，以及各稳定状态的状态参数，时间可能是无限的各稳定状态的状态参数，时间可能是无限的传热学：传热学： 热传递过程的瞬态热传递过程的瞬态 或非稳定情况或非稳定情况(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始始终从高温热源向低温热院传递终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，如果没有能量形式的转化，则则 始终是守恒的始终是守恒的水，M220oC铁 块 , M1300oC图1-1 传热学与热力学的区别7/21/20241.3 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生

6、产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍b 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？觉不一样。为什么？c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？如何解释其道理？越厚越好？(1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬冬天都保持天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？的衣服能否一样？为什么？7/2

7、1/2024(2) (2) 几个特殊领域中的具体应用几个特殊领域中的具体应用a a 航空航天：航空航天：u高温叶片气膜冷却与发汗冷却高温叶片气膜冷却与发汗冷却u火箭推力室的再生冷却与发汗冷却火箭推力室的再生冷却与发汗冷却u卫星与空间站热控制卫星与空间站热控制u空间飞行器重返大气层冷却空间飞行器重返大气层冷却u超高音速飞行器（超高音速飞行器（Ma=10Ma=10）冷却）冷却u核热火箭、电火箭核热火箭、电火箭u微型火箭（电火箭、化学火箭）微型火箭（电火箭、化学火箭）u太阳能高空无人飞机太阳能高空无人飞机7/21/2024b 微机电系统（微机电系统（MEMS） ： 电子芯片冷却电子芯片冷却c 生物医

8、学：生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存官的冷冻保存d 军军 事：事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制制 冷冷：跨跨临临界界二二氧氧化化碳碳汽汽车车空空调调/热热泵泵；高高温温水水源源热热泵泵f 新新 能能 源：源：太阳能；燃料电池太阳能；燃料电池7/21/20247/21/2024冷却技术失效时冷却技术失效时7/21/2024哥伦比亚航天飞机解体（哥伦比亚航天飞机解体（Shuttle Columbia）Feb. 1st, 2003（STS-107 mission ）7/21/2024大推力液氢液氧火箭发动机

9、推力室发汗冷却大推力液氢液氧火箭发动机推力室发汗冷却7/21/2024再生冷却的火箭发动机再生冷却的火箭发动机7/21/2024电阻电火箭电阻电火箭7/21/20247/21/2024电阻电热推进器电阻电热推进器两层结构的、具有菱形立柱状加热器的新两层结构的、具有菱形立柱状加热器的新型微推进器。喷管喉部尺寸为型微推进器。喷管喉部尺寸为1080m7/21/2024电阻电热推进器电阻电热推进器7/21/2024微型电阻电火箭微型电阻电火箭7/21/2024u气化腔：气化腔：100050010m 加热功率：加热功率：40Wu加热电阻：加热电阻：8204402m 加热时间：加热时间：10s1ms微推进

10、器结构图微推进器结构图7/21/2024微型化学推进器微型化学推进器同相催化微型化学推进器，采用过氧化氢工同相催化微型化学推进器，采用过氧化氢工质，测试实验，脉冲冲量可控制于质，测试实验，脉冲冲量可控制于0.11.6mNs7/21/2024超高音速飞行器超高音速飞行器7/21/2024高超音速领域的研究高超音速领域的研究7/21/20247/21/2024Passive Cellular Core Jet Blast Deflector7/21/2024Passive Cellular Core Jet Blast Deflector Construction7/21/2024电子器件冷却电子

11、器件冷却7/21/2024新材料新材料7/21/20241.4 传热过程的分类按温度与时间的依变关系，可分为按温度与时间的依变关系，可分为稳态稳态和和非稳态非稳态两大类。两大类。7/21/20241.5 固体火箭发动机中的传热现象图1-2 固体火箭发动机简图 (1)固固体体火火箭箭发发动动机机的的工工作作过过程程是是一一个个典典型型的的由由固固体体推推进进剂剂装装药药的的化化学学能能转转变变为为固固体体火火箭箭飞飞行行动动能能的的过过程程，固固体体推推进进剂剂装装药药燃燃烧烧后后不不断断地地产产生生大大量量的的高高温温（最最高高达达3000K以以上上）和和有有一一定定压压力力（几几兆兆帕帕到到

12、一一、二二十十兆兆帕帕左左右右）的的燃燃气气，并并连连续续排排出。出。 7/21/2024(2)发发动动机机中中的的传传热热现现象象是是多多种种形形式式的的。燃燃气气除除了了将将热热量量传传给给装装药药以以维维持持连连续续燃燃烧烧外外，还还同同时时把把热热量量传传给给燃燃烧烧室室壁壁、喷喷管管及及挡挡药药板板。这这些些部部件件在在这这种种高高温温燃燃气气的的作作用用下下，温温度度将将急急剧剧上上升升，材材料料强强度度将将有有明明显显下下降降的的趋趋势势。当当发发动动机机工工作作时时间间较较长长时时，这这种种强强度度下下降降的的趋趋势势就就更更为为显显著著。特特别别是是在在喷喷管管喉喉部部，通通

13、道道面面积积最最小小，燃燃气气密密流流最最大大，来来自自热热燃燃气气的的热热流流密密度度达到最大，工作条件最为恶劣。达到最大，工作条件最为恶劣。 (3)在在设设计计火火箭箭发发动动机机各各部部件件结结构构时时，就就需需要要从从它它们们在在受受热热状状态态下下的的实实际际强强度度出出发发，或或者者要要考考虑虑在在各各部部件件上上分分别别采采取取热热防防护护措措施施。因因此此，也也就就需需要要了了解解各各部部件件受受热热后后的的温温度度分分布布，需要进行严格的传热计算。这就是传热学要解决的问题。需要进行严格的传热计算。这就是传热学要解决的问题。 7/21/2024(4)由由于于燃燃气气向向周周围围

14、传传热热，将将造造成成燃燃气气的的热热损损失失。这这种种热热损损失失将将反反过过来来影影响响发发动动机机内内的的能能量量转转换换规规律律及及压压力力变变化化规规律律。长长期期以以来来，由由于于固固体体火火箭箭发发动动机机内内传传热热现现象象的的复复杂杂性性，在在一一般般的的内内弹弹道道研研究究中中，考考虑虑热热损损失失的的影影响响，通通常常都都采采用用增增加加比比热热比比或或减减少少火火药药力力的的间间接接方方法法进进行行修修正正。近近年年来来，随随着着计计算算技技术术的的发发展展，已已能能够够把把非非定定常常热热传传导导包包含含在在内内弹弹道道方程之中，从而使得理论的研究更进一步准确化。方程

15、之中，从而使得理论的研究更进一步准确化。7/21/20242 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式2.1 导热（热传导）(Conduction) 热热量量传传递递的的三三种种基基本本方方式式：导导热热(热热传传导导)、对对流流(热热对对流流)和热辐射和热辐射。(1)定定义义：指指温温度度不不同同的的物物体体各各部部分分或或温温度度不不同同的的两两物物体体间间直直接接接接触触时时，依依靠靠分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子热热运运动而进行的热量传递现象动而进行的热量传递现象(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)

16、导导热热的的特特点点：a 必必须须有有温温差差；b 物物体体直直接接接接触触；c 依依靠靠分分子子、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子子热热运运动动而而传传递递热热量量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。7/21/2024(4)导热的基本定律：导热的基本定律： 1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier: 上上式式称称为为Fourier定定律律，号号称称导导热热基基本本定定律律，是是一一个个一一维维稳稳态态导导热热。负负号号表表示示导导热方向与温度梯度方向相反。其中：热方向与温度梯度方向相反。其中： ：热热流流量量，单单位位

17、时时间间传传递递的的热热量量W；q：热热流流密密度度，单单位位时时间间通通过过单单位位面面积积传传递递的的热热量量；A：垂垂直直于于导导热热方方向向的的截截面面积积m2； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/( mK)。图图2-1 2-1 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0x dxdtQ7/21/2024(6) 一维稳态导热及其导热热阻一维稳态导热及其导热热阻 如如图图2-1所所示示，简简化化结结果果如如图图2-2所所示示，稳稳态态 q = const，于于是积分是积分Fourier定律有：定律有：(5) 导热系数导热系数 表表征征材材料料导导热热能能力力的的大大小小，是是一一种

18、种物物性性参参数数，与与材材料料种种类类和和温度关。温度关。Q导热热阻单位导热热阻图图2-2 2-2 一维稳态导热一维稳态导热 简化结果简化结果7/21/2024例题 2-1 一块厚度=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在试求下列条件下的热流密度。(1)材料为铜，=375 w/(mK );(2)材料为钢， =36.4 w/(mK );(3)材料为铬砖， =2.32 w/(mK )；(4)材料为铬藻土砖， =0.242 w/(mK )。解：参见解：参见图图2-12-1和和图图2-22-2。 及一维稳态导热公式有：及一维稳态导热公式有：7/21/2024铬砖：铬砖：硅藻土砖：硅藻土砖：讨讨论论

19、：由由计计算算可可见见， 由由于于铜铜与与硅硅藻藻土土砖砖导导热热系系数数的的巨巨大大差差别别， 导导致致在在相相同同的的条条件件下下通通过过铜铜板板的的导导热热量量比比通通过过硅硅藻藻土土砖砖的的导导热热量量大大三三个个数数量量级级。 因因而而，铜铜是是热热的的良良导导体体， 而而硅硅藻土砖则起到一定的隔热作用。藻土砖则起到一定的隔热作用。铜：铜：钢：钢：7/21/2024(1)定义：定义： 流流体体中中（气气体体或或液液体体）温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间，由由于于发发生生相相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。2.2 对流

20、（热对流）(Convection)(2) 对流换热：对流换热： 当当流流体体流流过过一一个个物物体体表表面面时时的的热热量量传传递递过过程程，他他与与单单纯纯的的对对流不同，具有如下特点：流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在导热与热对流同时存在的复杂热传递过程的复杂热传递过程 b 必须有必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有；也必须有温差温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的壁面处会形成速度梯度很大的边界层边界层 7/21/2024(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结

21、换热有相变：沸腾换热和凝结换热图2-3 对流换热中边界层的示意图7/21/2024(4) 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数表面传热系数(对流换热系数对流换热系数) 热流量热流量W，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量q 热流密度热流密度A 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度固体壁表面温度 流体温度流体温度图2-4 平壁上的对流换热 7/21/2024 h物物理理意意义义：当当流流体体与与壁壁面面温温度度相相差差1度度时时、每每单单位位壁壁面面面积上、单位时间内所传递的热量。面积上、单位时间内所传递的热量。影响影响h因素

22、因素：流速、流体物性、壁面形状大小等：流速、流体物性、壁面形状大小等（Convection heat transfer coefficient）(5) 对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)7/21/2024(Thermal resistance for convection)(6) 对流换热热阻：对流换热热阻： 7/21/2024(1) 定义：定义： 有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。2.3 热辐射(Thermal radiation)(2) 特点：特点： a 任任何何物物体体，只只要要温温度度高高于于0 K，就就会会不不停

23、停地地向向周周围围空空间间发出热辐射；发出热辐射； b 可以在真空中传播；可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变； d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性； e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关； f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。 7/21/2024(3) 生活中的例子生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b 冬冬天天的的夜夜晚晚，呆呆在在有有窗窗帘帘的的屋屋子子内内会会感感到到比比没没有有窗窗帘帘时要舒服；时要舒服； c 太阳能传递到地面太阳能传递到

24、地面 d 冬冬天天，蔬蔬菜菜大大棚棚内内的的空空气气温温度度在在0以以上上，但但地地面面却却可能结冰。可能结冰。(4) 辐射换热：辐射换热： 物物体体间间靠靠热热辐辐射射进进行行的的热热量量传传递递，它它与与单单纯纯的的热热辐辐射射不同，就像对流和对流换热一样不同，就像对流和对流换热一样(参照图参照图3-1)。 7/21/2024(5) 辐射换热的特点：辐射换热的特点：a 不不需需要要冷冷热热物物体体的的直直接接接接触触；即即：不不需需要要介介质质的的存存在在，在在真空中就可以传递能量真空中就可以传递能量b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能

25、物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能c 无无论论温温度度高高低低，物物体体都都在在不不停停地地相相互互发发射射电电磁磁 波波能能、相相互互辐辐射射能能量量；高高温温物物体体辐辐射射给给低低温温物物体体的的能能量量大大于于低低温温物物体体辐辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。7/21/2024(6) 辐射换热的研究方法：辐射换热的研究方法： 假假设设一一种种黑黑体体，它它只只关关心心热热辐辐射射的的共共性性规规律律，忽忽略略其其他他因因素素，然然后后，真真实实物物体体的的辐辐射射则则与与黑黑体体进进行行比比较较和和

26、修修正正，通通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。(7) 黑体的定义：黑体的定义： 能能吸吸收收投投入入到到其其表表面面上上的的所所有有热热辐辐射射的的物物体体，包包括括所所有有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。 7/21/2024(8)黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程： 斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 真实物体则为：真实物体则为： (9)两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热 (参见图参见图2-5和图

27、和图3-2)7/21/2024图2-5 两黑体表面间的辐射换热7/21/2024例例题题 2-2 2-2 一一根根水水平平放放置置的的蒸蒸汽汽管管道道， 其其保保温温层层外外径径d=583 mm，外外表表面面实实测测平平均均温温度度及及空空气气温温度度分分别别为为 ，此此时时空空气气与与管管道道外外表表面面间间的的自自然然对对流流换换热热的的表表面面传传热热系系数数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率问：（问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （2）计算每米长度管道的总散热量。）计算每米长度管道的总散热

28、量。解：解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为）把管道每米长度上的散热量记为7/21/2024 近似地取管道的表面温度为室内空气温度，近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：与室内物体及墙壁之间的辐射为：讨论：讨论： 计算结果表明，计算结果表明， 对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题，对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。自然对流散热量与辐射具有相同

29、的数量级，必须同时予以考虑。当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热7/21/20243 传热过程和传热系数传热过程和传热系数3.1 传热过程的定义3.2 传热过程包含的传热方式导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图3-1 墙壁的散热两流体间通过固体壁面进行的换热。两流体间通过固体壁面进行的换热。7/21/20243.3 一维稳态传热过程中的热量传递图图3-2 一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流

30、换热热阻右侧对流换热热阻7/21/2024上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。，不是物性参数，与过程有关。 传热系数传热系数单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻7/21/2024a k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k，可增大，可增大c h1、h2的计算方法及增加的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容；值的措施是本课程的重要内容；注意：注意：b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法；非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法；7/

31、21/2024思考题：思考题：1.热量传递的基本方式及传热机理。热量传递的基本方式及传热机理。2.一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。4.黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的定义。黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的定义。5.传热过程及传热系数的定义及物理意义。传热过程及传热系数的定义及物理意义。6.热阻的概念。对流热阻热阻的概念。对流热阻, 导热热阻的定义及基本表达式。导热热阻的定义及基本表达式。7. 使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。8.对对流流换换热热和和传传热热过过程程的的区区别别。表表面面传传热热系系数数(对对流流换换热热系系数数)和和传传热系数的区别。热系数的区别。9.导热系数导热系数, 表面传热系数和传热系数之间的区别。表面传热系数和传热系数之间的区别。