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1、传递过程原理第六章第1页，共34页，编辑于2022年，星期四6.1 热量传递的基本方式三、辐射传热一、热传导二、对流传热第六章第六章 传热概论与能量方程传热概论与能量方程第2页，共34页，编辑于2022年，星期四一、热传导一、热传导 热量不依靠宏观混合运动而从物体的高温区向低温区移动的过程；借助于物体分子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动产生的热量传递，简称导热；导热在气体、液体和固体中均能发生；导热的推动力：温度差。第3页，共34页，编辑于2022年，星期四 描述导热现象的物理定律为傅立叶定律（Fourier Law），其数学表达式为导热通量热通量与温度梯度方反热导率或导热系数温度梯度
2、W/m2一、热传导一、热传导第4页，共34页，编辑于2022年，星期四W/(m.oC）热导率 单位温度梯度下的热通量。表征物质热传导能力的大小，是物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态、组成、密度、温度及压力有关。来源：手册，附录。一、热传导一、热传导第5页，共34页，编辑于2022年，星期四 介 质 热导率，W/(m.oC)气气 体体 0.0060.06 液液 体体 0.10.7非导电固体非导电固体 0.23.0 金金 属属 15420 绝热材料绝热材料 0.0030.06一、热传导一、热传导第6页，共34页，编辑于2022年，星期四（1）气体的热导率气体无关（极高、极低压力除外）常压气体
3、混合物组分i的摩尔分数组分i的摩尔质量一、热传导一、热传导第7页，共34页，编辑于2022年，星期四（2）液体的热导率金属液体的热导率比一般的液体要高。纯液体的热导率比其溶液的要大。液体无关除水和甘油外一、热传导一、热传导第8页，共34页，编辑于2022年，星期四3.固体的热导率纯金属的导热系数与电导率的关系可用魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述 良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。热导率电导率洛伦兹(Lorvenz)数一、热传导一、热传导第9页，共34页，编辑于2022年，星期四大多数均质固体，热导率与温度近似呈线性：大多数金属材料，00 oC 时的导热系数温度系
4、数注意k 一般为平均导热系数。若沿各方向的导热系数相等 多维导热同性。一、热传导一、热传导第10页，共34页，编辑于2022年，星期四 对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动和混合而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在流体内部。对流传热强制对流传热自然对流传热外力作用引起；流体的密度差引起。二、对流传热对流传热第11页，共34页，编辑于2022年，星期四 本课程研究的对流传递包括：运动流体与固体壁面之间的热量传递；两个不互溶流体在界面的热量传递。二、对流传热对流传热tftststf流向液体 tl气体 tg第12页，共34页，编辑于2022年，星期四 对流传热速率可由牛顿冷却定律描述，
5、即：对流传热通量对流传热系数或膜系数流体与壁面间温度差W/m2二、对流传热对流传热第13页，共34页，编辑于2022年，星期四 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射与热传导和对流传热的最大区别就在于它可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。描述热辐射的基本定律是斯蒂芬(Stefan)-玻尔兹曼(Boltzmann)定律：三、辐射传热辐射传热第14页，共34页，编辑于2022年，星期四6.1 热量传递的基本方式6.2 能量方程一、能量方程的推导 二、能量方程的特定形式三、柱坐标系与球坐标系的能量方程第六章第六章 传热概论与能量方程传热概论与能量方程第15页，共34页，编辑于20
6、22年，星期四一、能量方程的推导一、能量方程的推导 能量守恒定律封闭系统的热力学第一定律拉格朗日观点 在流场中选一微元系统：质量 一定，体积和形状变化。J/kg第16页，共34页，编辑于2022年，星期四热力学第一定律在流体微元上的表达式单位时间变化速率Lagrange观点J/s微元系统dV 设某一时刻，微元系统的体积为 dV=dxdydzM=dVJ/(kg.s)一、能量方程的推导一、能量方程的推导 dzdxdy第17页，共34页，编辑于2022年，星期四流体微元内能增长速率加入流体微元的热速率环境对流体微元所作的功率一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第18页，共34页，编辑于2022年，
7、星期四（1）对流体微元加入的热速率加 入 的热速率环境流体导入流体微元的热速率；流体微元发热速率；辐射传热速率。采用拉格朗日方法无对流传热；辐射传热可忽略。一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第19页，共34页，编辑于2022年，星期四x 方向：导入的热速率导出的热速率（导入导出)x一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第20页，共34页，编辑于2022年，星期四同理，y，z 方向：总的导热速率差（导入导出)y（导入导出)z（导入导出)一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第21页，共34页，编辑于2022年，星期四代入得设导热三维同性，kx=ky=kz=k，由傅立叶定律（导入导出)一、能量
8、方程的推导一、能量方程的推导 第22页，共34页，编辑于2022年，星期四则单位体积流体生成的热速率设J/(m3.s）故 对于一般情况，假定微元系统内部存在内热源。（1）一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第23页，共34页，编辑于2022年，星期四（2）表面应力对流体微元所作的功率表面应力压力引起使流体微元发生体积形变黏滞力引起膨胀功由于黏性产生摩擦摩擦热一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第24页，共34页，编辑于2022年，星期四J/(m3.s）流体微元体积形变速率为流体微元所作的膨胀功率为或负号表示压力方向与法线方向相反J/s一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第25页，共34页
9、，编辑于2022年，星期四单位体积流体产生的摩擦热则设J/(m3.s）故散逸热速率J/s（2）一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第26页，共34页，编辑于2022年，星期四能量方程：由能量方程将（1）及（2）代入上式，得J/(m3.s）一、能量方程的推导一、能量方程的推导 第27页，共34页，编辑于2022年，星期四二、二、能量方程的特定形式能量方程的特定形式（1 1）不可压缩流体的对流传热）不可压缩流体的对流传热当流速不是特别高、黏度较低时不可压缩流体化简得第28页，共34页，编辑于2022年，星期四定压比热容由不可压缩流体因此得定容比热容或二、二、能量方程的特定形式能量方程的特定形式第
10、29页，共34页，编辑于2022年，星期四令则导温系数(热量扩散系数)展开得对流传热微分方程二、二、能量方程的特定形式能量方程的特定形式第30页，共34页，编辑于2022年，星期四（2）固体中的热传导固体内部：化简得导热微分方程二、二、能量方程的特定形式能量方程的特定形式第31页，共34页，编辑于2022年，星期四若无内热源泊松(Poisson)方程若稳态导热傅立叶第二定律若无内热源稳态导热拉普拉斯(Laplace)方程二、二、能量方程的特定形式能量方程的特定形式第32页，共34页，编辑于2022年，星期四1.柱坐标柱坐标温度场能量方程三、柱坐标系与球坐标系的能量方程三、柱坐标系与球坐标系的能量方程第33页，共34页，编辑于2022年，星期四2.球坐标球坐标温度场能量方程三、柱坐标系与球坐标系的能量方程三、柱坐标系与球坐标系的能量方程第34页，共34页，编辑于2022年，星期四