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1、工程传热学复习课工程传热学复习课9/10/20241第一章第一章 绪论绪论热传导热传导 (heat conduction)：定义？定义？付立叶定律付立叶定律导热系数导热系数的定义、物理意义及单位？的定义、物理意义及单位？平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为力，单位为K/W (heat convection)9/10/20242热对流热对流热对流与对流换热的定义及区别。热对流与对流换热的定义及区别。牛顿冷却公式：牛顿冷却公式：表面传热系数表面传热系数h的定义、物理意义及单位的定义、物理意义及单位？影响影响h的因素的因素热辐射（热辐射（heat radia
2、tion）热辐射定义热辐射定义斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律9/10/20243传热过程与传热系数传热过程与传热系数传热过程定义传热过程定义传热系数定义传热系数定义传热过程计算传热过程计算9/10/20244第二章第二章 稳态导热稳态导热2-1基本概念基本概念温度场温度场(temperature field) ：用文字描述用文字描述温度不随时间变化的温度场，其中的导温度不随时间变化的温度场，其中的导热称为稳态导热：热称为稳态导热：等温面与等温线等温面与等温线定义定义特征：特征：9/10/20245温度梯度温度梯度(temperature gradient,方向和大方向和大小小)：定义：
3、等温面法线方向的温度变化率定义：等温面法线方向的温度变化率傅立叶定律及导热系数傅立叶定律及导热系数9/10/20246冬天，棉被经过晒后冬天，棉被经过晒后 拍打，问什么会觉得暖和？拍打，问什么会觉得暖和？答答：棉棉被被晒晒后后，水水分分蒸蒸发发，经经拍拍打打，大大量量空空气气进进入入棉棉絮絮空空间间，自自然然对对流流不不易易展展开开，由由于于空空气气导导热热系系数数低低，故故起起到到很很好好的的保保温温作用。作用。9/10/20247温度温度对导热系数的影响对导热系数的影响一般地说一般地说, 所有物质的导热系数都是温所有物质的导热系数都是温度的函数度的函数,不同物质的热导率随温度的不同物质的热
4、导率随温度的变化规律不同。变化规律不同。在工业和日常生活中常见的温度范围在工业和日常生活中常见的温度范围内内, , 绝大多数材料的导热系数可以近绝大多数材料的导热系数可以近似地认为随温度线性变化似地认为随温度线性变化, , 表示为：表示为：变化时温度分布曲线变化时温度分布曲线9/10/20248导热微分方程导热微分方程建立基础建立基础表达式：表达式：直角坐标系下导热微分方程直角坐标系下导热微分方程圆柱坐标系下一维导热微分方程圆柱坐标系下一维导热微分方程球坐标系下一维导热微分方程球坐标系下一维导热微分方程各项含义各项含义热扩散率定义、出处、物理意义，与导热扩散率定义、出处、物理意义，与导热系数区
5、别热系数区别9/10/20249导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件导热问题的求解方法导热问题的求解方法:(1)分析解法分析解法;(2)数值解法数值解法;(3)实验方法。实验方法。9/10/2024102-2一维稳态导热一维稳态导热1 通过平壁的导热通过平壁的导热=0( (1+b bt)b0b0t1 t20 x9/10/2024112 通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热9/10/202412例：由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。例：由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。第二层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，各层的厚度第二层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，各层的厚度及导热系数分别为
6、及导热系数分别为 1 1240mm240mm， 1 1=1.04W/(m=1.04W/(m ) )， 2 250mm, 50mm, 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m ) )， 3 3115mm, 115mm, 3 3=0.63W/(m=0.63W/(m ) )。炉墙内侧耐火砖的表面温度为。炉墙内侧耐火砖的表面温度为10001000。炉墙外侧红砖的表面温度为。炉墙外侧红砖的表面温度为6060。试计算硅。试计算硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。解：解： 已知已知 1 10.24m, 0.24m, 1 1=1.04W/(m=1.04W/(
7、m ) ) 2 20.05m, 0.05m, 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m ) ) 3 30.115m, 0.115m, 3 3=0.63W/(m=0.63W/(m ) ) t t1 1=1000=1000 t t4 4=60=60 9/10/202413t2t3t4t1 qt1 r1 t2 r2 t3 r3 t4硅藻土层的平均温硅藻土层的平均温度为度为 9/10/202414第三章第三章 非稳态导热非稳态导热3-1非稳态导热过程非稳态导热过程非稳态导热：周期性和非周期性非稳态导热：周期性和非周期性两两个个阶阶段段：非非正正规规状状况况阶阶段段（初初始始状状况况阶阶段）、正规状况
8、阶段段）、正规状况阶段(a) = 1 (b) = 2 (c) = 3 (d) = 49/10/202415边界条件对温度分布的影响边界条件对温度分布的影响傅里叶数、毕渥数的表达式和物理意义傅里叶数、毕渥数的表达式和物理意义t0t t01/h / 2 t / 1/h2 t 1/h / 2 t09/10/2024163-2 集总参数法集总参数法集总参数系统定义、特征集总参数系统定义、特征能量守恒能量守恒温度分布温度分布时间常数定义、表达式、影响因素时间常数定义、表达式、影响因素集总参数系统的判定集总参数系统的判定9/10/2024173-3 一维非稳态导热的分析解一维非稳态导热的分析解求解思路：建
9、立导热微分方程式，求解思路：建立导热微分方程式， 引进过引进过余温度将非齐次方程组化为齐次方程，采余温度将非齐次方程组化为齐次方程，采用分离变量法求解温度表达式。用分离变量法求解温度表达式。诺模图（海斯勒图）诺模图（海斯勒图）利用线算图可求解温度及热量，注意只利用线算图可求解温度及热量，注意只适用于适用于Fo 0.2的情况。的情况。9/10/202418例例 一块厚200mm的大钢板，钢材的密度为=7790kg/m3，比热容cp=170J/(kgK)，导热系数为43.2W/(mK)，钢板的初始温度为20，放入1000的加热炉中加热，表面传热系数为 h=300W/(m2K)。试求加热40分钟时钢
10、板的中心温度。解解： 根据题意，根据题意，=100mm = 0.1m。钢材的热扩散率为。钢材的热扩散率为 9/10/202419傅里叶数为傅里叶数为 毕渥数为毕渥数为 查图可得查图可得 9/10/202420第四章第四章 对流换热原理对流换热原理4-1对流换热概述对流换热概述牛顿冷却公式牛顿冷却公式 ,因此求解因此求解h 是对流换热计算的核心问题是对流换热计算的核心问题对流换热微分方程式对流换热微分方程式对流换热影响因素对流换热影响因素:流速、流态、流动起因、流速、流态、流动起因、换热面的几何因素、流体物性换热面的几何因素、流体物性9/10/202421 4-2 层流流动换热的微分方程组层流流
11、动换热的微分方程组不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性假定。常物性假定。连续性方程连续性方程动量微分方程动量微分方程(2个个)能量微分方程能量微分方程对流换热微分方程对流换热微分方程求解途径求解途径 各各项项含含义义、能能量量微微分分方方程程与与导导热热微微分方程联系分方程联系9/10/2024224-3 对流换热过程的相似理论对流换热过程的相似理论无量纲准则的表达式和物理意义无量纲准则的表达式和物理意义Eu、Re、Pr、Pr、Nu（Bi）、）、Gr只有同类现象才有相似的可能性只有同类现象才有相似的可能性对流换热准则关系式的实验获取方法对流换热准则关系
12、式的实验获取方法9/10/2024234-4边界层（边界层（Boundary layer）理论理论边界层定义边界层定义边界层厚度（相对大小决定于边界层厚度（相对大小决定于Pr）：）：画图画图（还包括速度和温度剖面）（还包括速度和温度剖面）边界层微分方程组边界层微分方程组基本思路：对微分方程组中的各项进行基本思路：对微分方程组中的各项进行数量级比较，略去高阶小量。数量级比较，略去高阶小量。简化条件：简化条件：Re足够大、足够大、Pe足够大足够大结论：忽略结论：忽略、方程变化、物理特征。、方程变化、物理特征。9/10/202424例例 温温度度为为30的的空空气气以以0.5m/s的的速速度度平平行
13、行掠掠过过长长250mm、温温度度为为50的的平平板板，试试求求出出平平板板末末端端流流动动边边界界层层和和热热边边界界层层的的厚厚度度及及空空气气与与单单位位宽宽度度平平板板的的换热量。换热量。解：解： 边界层的平均温度都为边界层的平均温度都为 空空气气40的的物物性性参参数数分分别别为为v=16.96x10-6m2/s , =2.76x10-2W/m.k, Pr=0.699,在在 离离 平平 板板 前前 沿沿250mm处，雷诺数为处，雷诺数为 9/10/202425边界层为层流。流动边界层的厚度为边界层为层流。流动边界层的厚度为 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 可见，空气的热边界层比流动
14、边界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。 整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 9/10/2024261m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 9/10/202427第五章第五章 对流换热计算对流换热计算5-1 管管(槽槽)内流体受迫对流换热计算内流体受迫对流换热计算 基本概念：进口段与充分发展段基本概念：进口段与充分发展段管内受迫对流换热的计算管内受迫对流换热的计算紊流与层流的准则关联式（紊流与层流的准则关联式（Re=2200 104 ）注意：注意：定性温度与定型尺寸定性温度与定型尺寸的选择的选择9/10/2024285-2 流体外掠物体的对流换热计算流体外
15、掠物体的对流换热计算外掠平板（外掠平板（Rec=5105）准则关联式，准则关联式，定性温度与定型尺寸定性温度与定型尺寸外掠单管外掠单管边界层分离边界层分离准则关联式，准则关联式，定性温度与定型尺寸定性温度与定型尺寸外掠管束外掠管束准则关联式，准则关联式，定性温度与定型尺寸定性温度与定型尺寸9/10/2024295-3 自然对流换热计算自然对流换热计算无限空间自然对流换热：例如，热力管道无限空间自然对流换热：例如，热力管道表面散热表面散热竖直平板在空气中自然冷却流动和换热竖直平板在空气中自然冷却流动和换热特征特征 竖板自然对流换热的微分方程组竖板自然对流换热的微分方程组有限空间自然对流换热有限空
16、间自然对流换热 ： 例如，空气夹层例如，空气夹层9/10/202430对流换热经验公式不需要记，但给出诸对流换热经验公式不需要记，但给出诸如如Nu=f(Re,Pr)或或Nu=(Gr,Pr)的经验公式的经验公式后，针对上面公式中的修正需要知道后，针对上面公式中的修正需要知道对什么进行现象修正对什么进行现象修正壁面温度、弯曲、入口段等壁面温度、弯曲、入口段等怎么查怎么查如如f 、 w如何选取如何选取9/10/202431例例1 温温度度为为30的的空空气气以以0.5m/s的的速速度度平平行行掠掠过过长长250mm、温温度度为为50的的平平板板，试试求求出出平平板板末末端端流流动动边边界界层层和和热
17、热边边界界层层的的厚厚度度及及空空气气与与单单位位宽宽度度平平板板的的换热量。换热量。解：解： 边界层的平均温度都为边界层的平均温度都为 空空气气40的的物物性性参参数数分分别别为为v=16.96x10-6m2/s , =2.76x102W/m.k, Pr=0.699,在在离离平平板板前前沿沿250mm处，雷诺数为处，雷诺数为 9/10/202432边界层为层流。流动边界层的厚度为边界层为层流。流动边界层的厚度为 热边界层的厚度为热边界层的厚度为 可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。可见，空气的热边界层比流动边界层略厚。 整个平板的平均表面传热系数整个平板的平均表面传热系数 9/10/202
18、4331m宽平板与空气的换热量为宽平板与空气的换热量为 9/10/202434例例2 在在一一冷冷凝凝器器中中，冷冷却却水水以以1m/s的的流流速速流流过过内内径径为为10mm、长长度度为为3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度分别为度分别为15和和65，试计算管内的表面传热系数。，试计算管内的表面传热系数。解：解： 由由于于管管子子细细长长，l/d较较大大，可可以以忽忽略略进进口口段段的的影影响。冷却水的平均温度为响。冷却水的平均温度为 从附录中水的物性表中可查得从附录中水的物性表中可查得 9/10/202435f=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,P
19、r=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 管内流动为旺盛紊流。管内流动为旺盛紊流。 9/10/202436第六章辐射换热原理第六章辐射换热原理 6-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 热辐射的本质和特点热辐射的本质和特点本质：电磁波本质：电磁波特点：特点：吸收吸收,反射和透射反射和透射吸收率，反射率及透射率的定义吸收率，反射率及透射率的定义透明体，白体及黑体的定义透明体，白体及黑体的定义9/10/2024376-2黑体辐射和吸收的基本性质黑体辐射和吸收的基本性质辐射力辐射力E ；定义定义单色辐射力单色辐射力定向辐射力定向辐射力立体角立体角辐射强度辐射强度注意：辐射力是以发射物体的单位面积作注意：
20、辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据，而辐射强度是以垂直于发射为计算依据，而辐射强度是以垂直于发射方向的单位投影面积作为计算依据。方向的单位投影面积作为计算依据。9/10/202438黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律普朗克定律普朗克定律给出黑体单色辐射力和波长、热力学给出黑体单色辐射力和波长、热力学温度之间的函数关系温度之间的函数关系维恩位移定律维恩位移定律内容：内容： 思考：加热金属时，试用维恩位移定思考：加热金属时，试用维恩位移定律分析金属颜色随温度的变化。律分析金属颜色随温度的变化。9/10/202439斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律兰贝特余弦定律兰贝特余弦定律注意：漫辐
21、射表面遵守兰贝特余弦定注意：漫辐射表面遵守兰贝特余弦定律律波段辐射与辐射函数波段辐射与辐射函数黑体的吸收特性黑体的吸收特性9/10/2024406-3实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射实际物体的辐射黑度（发射率）黑度（发射率）定义、影响因素定义、影响因素实际物体的吸收实际物体的吸收灰体灰体吸收比定义、影响因素吸收比定义、影响因素实际物体表面对波长（光谱）的选择性实际物体表面对波长（光谱）的选择性灰体定义、成立条件灰体定义、成立条件基尔霍夫定律表述、成立条件基尔霍夫定律表述、成立条件9/10/202441第七章第七章 辐射换热计算辐射换热计算7-1 被被透透明明介介质质隔隔开开的的黑黑体体表表面面间间的的辐辐射射换换热热角系数的概念角系数的概念角系数的性质（相对性、完整性、可加性）角系数的性质（相对性、完整性、可加性）角系数的计算：角系数的计算：成为纯粹的几何量的条件成为纯粹的几何量的条件（漫辐射体及表（漫辐射体及表面辐射热流均匀）面辐射热流均匀）9/10/2024427-2 被透明介质隔开的灰体表面间的辐射被透明介质隔开的灰体表面间的辐射换热换热温室效应，玻璃花房工作原理温室效应，玻璃花房工作原理P3779/10/202443
