传热学课件课件.ppt

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1、第一章第一章绪绪论论1-0概概述述一、基本概念一、基本概念v1 1、传热学、传热学 v传热学是研究热量传递规律的学科。传热学是研究热量传递规律的学科。v1)1)物体内只要存在温差，就有热量物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；从物体的高温部分传向低温部分；v2)2)物体之间存在温差时，热量就会物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。自发的从高温物体传向低温物体。2、热量传递过程、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可分为两类：程可分为两类：（1 1）稳态传热过程；）稳态传热过程；（2 2）非稳态传热过程。

2、）非稳态传热过程。1 1）稳态传热过程（定常过程）稳态传热过程（定常过程）凡是物体中各点温度不随时间而变的热传凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递过程均称稳态传热过程。递过程均称稳态传热过程。2 2）非稳态传热过程（非定常过程）非稳态传热过程（非定常过程）凡是物体中各点温度随时间的凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。变化而变化的热传递过程均称非稳态传热过程。各种热力设备在持续不变的工况各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在下运行时的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停机、工况改变时的传热过程则属启动、停机、工况改变时的传热过程则

3、属 非非稳态传热过程。稳态传热过程。二、讲授传热学的重要性及必要性二、讲授传热学的重要性及必要性1 1、传热学是热工系列课程教学的主要内容、传热学是热工系列课程教学的主要内容之一，是建环专业必修的专业基础课。是之一，是建环专业必修的专业基础课。是否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。后续专业课的学习效果。2 2、传热学在生产技术领域中的应用十分广、传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。如：泛。如：(1)(1)日日常生活中的例子：常生活中的例子：a a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持夏天

4、和冬天都保持2020度，那么在冬天与夏天、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？人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？b b 夏夏天人在同样温度（如：天人在同样温度（如：2525度）的空气度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？和水中的感觉不一样。为什么？c c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，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？以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？(1)日日常生活中的例子：常生活中的例子：(2)(2)特别是在下列技术领域大量存在传热问题特别是在下列技术领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新动力、

5、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（系统（MEMSMEMS）、新材料、军事科学与技术、）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术生命科学与生物技术(3)(3)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 航航空空航航天天：高高温温叶叶片片气气膜膜冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；火火箭箭推推力力室室的的再再生生冷冷却却与与发发汗汗冷冷却却；卫卫星星与与空空间间站站热热控控制制；空空间间飞飞行行器器重重返返大大气气层层冷冷却却；超超高高音音速速飞飞行行器器（Ma=10Ma=10）冷冷却却；核核热热火火箭箭、电电火火

6、箭箭；微微型型火火箭箭（电电火火箭箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机化学火箭）；太阳能高空无人飞机b b 微电子：微电子：电子芯片冷却电子芯片冷却c c 生生物物医医学学：肿肿瘤瘤高高温温热热疗疗；生生物物芯芯片片；组织与器官的冷冻保存组织与器官的冷冻保存d d 军军 事事：飞飞机机、坦坦克克；激激光光武武器器；弹弹药药贮存贮存e 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；高温水源热泵高温水源热泵f f 新能源：太阳能；燃料电池新能源：太阳能；燃料电池三、传热学的特点、研究对象及研究方法三、传热学的特点、研究对象及研究方法v1 1）理论性、应用性强）理论性、应用性

7、强 v传热学是热工系列课程内容和课程传热学是热工系列课程内容和课程体系设置的主要内容之一。是一门理论性、体系设置的主要内容之一。是一门理论性、应用性极强的专业基础课，在热量传递的应用性极强的专业基础课，在热量传递的理论分析中涉及到很深的数学理论和方法。理论分析中涉及到很深的数学理论和方法。在生产技术领域应用十分广泛。传热学的在生产技术领域应用十分广泛。传热学的发展促进了生产技术的进步。发展促进了生产技术的进步。1、特点、特点v2)2)有利于创造性思维能力的培养有利于创造性思维能力的培养v传热学是建筑环境与设备工程专业的主传热学是建筑环境与设备工程专业的主干专业课之一，在教学中重视学生在学习过干

8、专业课之一，在教学中重视学生在学习过程中的主体地位，启迪学生学习的积极性，程中的主体地位，启迪学生学习的积极性，在时间上给学生留有一定的思维空间。从而在时间上给学生留有一定的思维空间。从而进一步培养创新的思维能力。对综合性、应进一步培养创新的思维能力。对综合性、应用性强的传热问题都有详细地分析讨论。同用性强的传热问题都有详细地分析讨论。同时介绍了传热学的发展动态和前景。从而给时介绍了传热学的发展动态和前景。从而给学生开辟了广阔且纵深的思考空间。学生开辟了广阔且纵深的思考空间。v3 3）教育思想发生了本质性的变化）教育思想发生了本质性的变化v传热学课程教学内容的组织和表达方传热学课程教学内容的组

9、织和表达方面从以往单纯的为后续专业课学习服务转面从以往单纯的为后续专业课学习服务转变到重点培养学生综合素质和能力方面，变到重点培养学生综合素质和能力方面，这是传热学课程理论联系实际的核心。从这是传热学课程理论联系实际的核心。从实际工程问题中、科学研究中提炼出综合实际工程问题中、科学研究中提炼出综合分析题，对培养学生解决分析综合问题的分析题，对培养学生解决分析综合问题的能力起到积极的作用。能力起到积极的作用。v2、研究对象、研究对象v传热学研究的对象是热量传递规律。传热学研究的对象是热量传递规律。v3 3、研究方法、研究方法 v 研究的是由微观粒子热运动所研究的是由微观粒子热运动所决定的宏观物理

10、现象，而且主要用经验的决定的宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻求热量传递的规律，认为研究对象方法寻求热量传递的规律，认为研究对象是个连续体，即各点的温度、密度、速度是个连续体，即各点的温度、密度、速度是坐标的连续函数，即将微观粒子的微观是坐标的连续函数，即将微观粒子的微观物理过程作为宏观现象处理。物理过程作为宏观现象处理。由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方程），但不能确定物体内温度分布。程），但不能确定物体内温度分布。4、学习目的、学习目的通过学习能熟练掌握传热过程的基本规通

11、过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测试技术及分析计算方法，从而达律、实验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优化传热过程的目的。到认识、控制、优化传热过程的目的。1-2热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式一、导热（热传导）一、导热（热传导）1、概念、概念定义：定义：物体各部分之间不发生相对位物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。粒子的热运动而产生的热量传递称导热。如：固体与固体之间及固体内部的热如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。量传递。从微观角度分析气体、液体、导电固体与

12、从微观角度分析气体、液体、导电固体与非金属固体的导热机理。非金属固体的导热机理。（1 1）气体中）气体中：导热是气体分子不规：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处。使热能从高温传到低温处。v（2 2）导电固体：）导电固体：其中有许多自由电子，其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。作用。v（3 3）非导电固体：）非导

13、电固体：导热是通过晶格结构导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。分子在其平衡位置附近的振动来实现的。v（4 4）液体的导热机理：）液体的导热机理：存在两种不同的存在两种不同的观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些，观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近

14、的振动产生的）原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。的作用。说明：只研究导热现象的宏观规律。说明：只研究导热现象的宏观规律。2 2、导热的基本规律、导热的基本规律v1 1）傅立叶定律）傅立叶定律v（1822 1822 年，法国物理学家）年，法国物理学家）如图如图 1-1 1-1 所示的两个表面分别维持均所示的两个表面分别维持均匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。对匀恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于于x x方向上任意一个厚度为的微元层来说，方向上任意一个厚度为的微元层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面

15、积热热量与当地的温度变化率及平板面积A A成成正比，即正比，即式中式中 是比例系数，称为是比例系数，称为热导率热导率，又称，又称导热系数导热系数，负号表示热量传递的方向与温，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。度升高的方向相反。（1-1）v2 2）热流量）热流量 v单位时间内通过某一给定面积的热量称为单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为热流量，记为 ，单位，单位 w w。v3 3）热流密度（面积热流量）热流密度（面积热流量）v单位时间内通过单位面积的热量称为热流单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为密度，记为 q q，单位，单位 w/w/。v当物体的温度仅在当物体的

16、温度仅在 x x 方向放生变化时，方向放生变化时，按傅立叶定律，热流密度的表达式为按傅立叶定律，热流密度的表达式为:说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式说明：傅立叶定律又称导热基本定律，式（1-1 1-1）、（）、（1-2 1-2）是一维稳态导热时）是一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知：傅立叶定律的数学表达式。通过分析可知：（1-2）v（1 1）当温度）当温度 t t 沿沿 x x 方向增加时，方向增加时，而而 q q，说明此时热量沿，说明此时热量沿 x x 减小减小的方向传递；的方向传递；v（2 2）反之，当）反之，当 0 0 q0，说，说明热量沿明热量沿 x x 增加的方向

17、传递。增加的方向传递。v（3 3）导热系数）导热系数 表征材料导热性能优表征材料导热性能优劣的参数，是一种物性参数，单位：劣的参数，是一种物性参数，单位：w/mk w/mk。v不同材料的导热系数值不同，即使同一种不同材料的导热系数值不同，即使同一种材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料导热系数值与温度等因素有关。金属材料最高，良导电体，也是良导热体，液材料最高，良导电体，也是良导热体，液体次之，气体最小。体次之，气体最小。二、对流二、对流1、基本概念、基本概念1)1)对流：对流：是指由于流体的宏观运动，从而使是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相流体各部分之间发

18、生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。互掺混所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，对流的同时必对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随有导热现象。伴随有导热现象。2、对流换热的分类、对流换热的分类1 1）根据对流换热时）根据对流换热时是否发生相变是否发生相变分：有分：有相变的对流换热和无相变的对流换热。相变的对流换热和无相变的对流换热。2 2）根据引起）根据引起流动的原因流动的原因分：自然对流和分：自然对流和强制对流。强制对流。2)2)对流换热对流换热：流体流过一个物体表面时的流体流过一个物体表面时的热量传递过程，称为对流换热。热量传递过程，称为对流换热。1 1）自然对流：）自然对

19、流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。的流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。如：暖气片表面附近受热空气的向上流动。2 2）强制对流：）强制对流：流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。用所造成的。3 3）沸腾换热及凝结换热：）沸腾换热及凝结换热：液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热上凝结的对流换热，称为沸腾换热及凝结换热（相变对流沸腾）。（相变对流沸腾）。3、对流换热的基本规律、对流换热的基本规律流体被加热时：流体被加热时

20、：流体被冷却时流体被冷却时：式中，式中，及及 分别为壁面温度和流体分别为壁面温度和流体温度，温度，。（1-3）（1-4）v如果把温差（亦称温压）记为如果把温差（亦称温压）记为 ，并约，并约定永远取正值，则定永远取正值，则牛顿冷却公式牛顿冷却公式可表示为可表示为其中其中 h h 比例系数（表面传热系数）比例系数（表面传热系数）单位单位 。（1-5）（1-6）h h 的物理意义：的物理意义：单位温差作用下通过单位面单位温差作用下通过单位面积的热流量。积的热流量。表面传热系数的大小与传热过程中的许多因表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表素有关。它不仅取决于物体

21、的物性、换热表面的形状、大小相对位置，而且与流体的流面的形状、大小相对位置，而且与流体的流速有关。速有关。一般地，一般地，就介质而言：就介质而言：水的对流换热比空气水的对流换热比空气强烈；强烈；就换热方式而言：就换热方式而言：有相变的强于无相变的；有相变的强于无相变的；强制对流强于自然对流。强制对流强于自然对流。对流换热研究的基本任务：对流换热研究的基本任务：用理论分析或用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面换热导数的实验的方法推出各种场合下表面换热导数的关系式。关系式。三、热辐射三、热辐射1、基本概念、基本概念1 1）辐射和热辐射）辐射和热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为物体通过电

22、磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。热辐射。2 2）辐射换热）辐射换热 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。v自然界中的物体都在不停的向空间发出热自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射，同时又不断的吸收其他物体发出的辐射热。辐射热。v说明：辐射换热是一个动态过程，当物体说明：辐射换热是一个动态过程，当物体与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热与周围环境温度处于热平衡时，辐射换热

23、量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进量为零，但辐射与吸收过程仍在不停的进行，只是辐射热与吸收热相等。行，只是辐射热与吸收热相等。3 3）导热、对流、辐射的评述）导热、对流、辐射的评述 导热、对流两种热量传递方式，只在有物导热、对流两种热量传递方式，只在有物质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需质存在的条件下，才能实现，而热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。中辐射能的传递最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。而且伴随有能量形式的转化。v在辐射时，辐射体内热能

24、在辐射时，辐射体内热能 辐射能；在吸收时，辐射能；在吸收时，辐射能辐射能 受射体内热能，因此，辐射换热过程受射体内热能，因此，辐射换热过程是一种能量互变过程。是一种能量互变过程。辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程，即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温即不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能，物体向高温物体辐射热能，辐射换热不需要中间介质，在真空中即辐射换热不需要中间介质，在真空中即可进行，而且在真空中辐射能的传递最有可进行，而且在真空中辐射能的传递最有效。因此，又称其为非接触性传热。效。因此，又称其为非接触性传热。热

25、辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。观表象。物体的辐射能力与其温度性质有关。这物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热，对流的基本特点。是热辐射区别于导热，对流的基本特点。2、热辐射的基本规律：、热辐射的基本规律：v所谓绝对所谓绝对黑体黑体：把吸收率等于：把吸收率等于 1 1 的物体的物体称黑体，是一种假想的理想物体。称黑体，是一种假想的理想物体。v黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的而且辐射热量服从于是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律。v黑体在单位时间内发出的辐射热量服从

26、于黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律，即玻耳兹曼定律，即 （1-7）其中其中 T T 黑体的热力学温度黑体的热力学温度 K K；斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为（黑体辐射常数），其值为 ；A辐射表面积辐射表面积 m m2 2 。实际物体辐射热流量根据实际物体辐射热流量根据斯忒潘斯忒潘玻耳玻耳兹曼定律兹曼定律求得：求得：其中其中 物体自身向外辐射的热流量，物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射换热量；而不是辐射换热量；物体的物体的发射率（黑度），发射率（黑度），其值总小于其值总小于1 1，它与物体的种类及表面状态，它与物体的种类及表面状态有关。

27、有关。（1-8）要计算辐射换热量，必须考虑投到物体要计算辐射换热量，必须考虑投到物体上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，上的辐射热量的吸收过程，即收支平衡量，详见第八章。详见第八章。物体包容在一个很大的表面温度物体包容在一个很大的表面温度为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热为的空腔内，物体与空腔表面间的辐射换热量量 （1-9）1-3传热过传热过程和程和传热传热系数系数一、传热过程一、传热过程1、概念、概念热量由壁面一侧的流体通过壁面传到热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。另一侧流体中去的过程称传热过程。2、传热过程的组成、传热过程的组成传热过程一般包括串联着的传

28、热过程一般包括串联着的三个环节三个环节组成，组成，即：即：热流体热流体 壁面高温侧；壁面高温侧；壁面高温侧壁面高温侧 壁面低温侧；壁面低温侧；壁面低温侧壁面低温侧 冷流体。冷流体。若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。3、传热过程的计算、传热过程的计算（a）（b）（c）针对稳态的传热过程，即针对稳态的传热过程，即 Q=const Q=const 如图如图 1-3 1-3，其，其传热环节有三种情况传热环节有三种情况，则，则其热流量的表达式如下：其热流量的表达式如下：将式（将式（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）改写成温差的形）改写成温差的形式：

29、式：（d）（e）（f）三式相加，整理可得三式相加，整理可得:也可以表示成也可以表示成:式中，式中，称为传热系数，单位为称为传热系数，单位为 。（1-10）（1-11）二、传热系数二、传热系数1、概念、概念是指用来表征传热过程强烈程度的指标。是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差数值上等于冷热流体间温差 ，传热面积传热面积 时热流量的值。时热流量的值。K K 值越大，则传热过程越强，反之，则弱。值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小其大小受较多的因素的影响：受较多的因素的影响：参与传热过程的两种流体的种类；参与传热过程的两种流体的种类；传热过程是否有相变传热过程是否有相

30、变说明：说明：若流体与壁面间有辐射换热现象，若流体与壁面间有辐射换热现象，上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：上述计算未考虑之。要计算辐射换热，则：表面传热系数应取复合换热表面传热系数，表面传热系数应取复合换热表面传热系数，包含由辐射换热折算出来的表面传热系数包含由辐射换热折算出来的表面传热系数在内。其方法见在内。其方法见 8-4 8-4 节。节。传热系数的表达式为传热系数的表达式为:（1-12）传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的它等于组成传热过程诸环节的 、及及 之和的倒数。如果对式（之和的倒数。如果对式（1-121-

31、12）取倒）取倒数，还可理解得更深刻些。此时数，还可理解得更深刻些。此时或或 （1-131-13）（1-141-14）此式与欧姆定律此式与欧姆定律 比较，比较，具有具有电阻电阻之功能。之功能。由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的由此可见：传热过程热阻是由各构成环节的热阻热阻组成。组成。串联热阻叠加原则：串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。节热阻之和。1-3 1-3 传热学发展简史传热学发展简史1818世纪

32、世纪3030年代工业化革命促进了传热学的发年代工业化革命促进了传热学的发展展v导热（导热（Heat conductionHeat conduction）钻炮筒大量发热的实验（钻炮筒大量发热的实验（B.T.B.T.Rumford,1798Rumford,1798年）年）两块冰摩擦生热化为水的实验（两块冰摩擦生热化为水的实验（H.H.Davy,1799Davy,1799年）年）导热热量和温差及壁厚的关系（导热热量和温差及壁厚的关系（J.B.J.B.Biot,1804Biot,1804年）年）Fourier Fourier 导热定律导热定律(J.B.J.(J.B.J.Fourier,1822 Fou

33、rier,1822 年）年）G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.JakobJ.C.Jaeger/M.Jakob v对流换热对流换热 （Convection heat transferConvection heat transfer）不可压缩流动方程不可压缩流动方程 （M.Navier,1823M.Navier,1823年年)流体流动流体流动Navier-StokesNavier-Stokes基本方程基本方程 (G.G.Stokes,1845(G.G.Stokes,1845年）年）雷诺数雷诺数(O.Re

34、ynolds,1880(O.Reynolds,1880年）年）自然对流的理论解（自然对流的理论解（L.Lorentz,1881L.Lorentz,1881年）年）管内换热的理论解（管内换热的理论解（L.Graetz,1885L.Graetz,1885年；年；W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）凝结换热理论解凝结换热理论解 （W.Nusselt,1916W.Nusselt,1916年）年）强制对流与自然对流无量纲数的原则关系强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909W.Nusselt,1909年年/1915/1915年）年）流体边界层概念流体

35、边界层概念 （L.Prandtl,1904L.Prandtl,1904年）年）热边界层概念热边界层概念 （E.Pohlhausen,1921E.Pohlhausen,1921年）年）湍流计算模型湍流计算模型 （L.Prandtl,1925L.Prandtl,1925年；年；Th.Von Karman,1939Th.Von Karman,1939年；年；R.C.R.C.Martinelli,1947Martinelli,1947年）年）本章小结：本章小结：(1)(1)导热导热 Fourier Fourier 定律：定律：(2)(2)对流换热对流换热 Newton Newton 冷却公式：冷却公式

36、：(3)(3)热辐射热辐射 Stenfan-Boltzmann Stenfan-Boltzmann 定律：定律：(4)(4)传热过程传热过程第二章第二章导热基本定律导热基本定律及稳态导热及稳态导热1 1、重点内容：、重点内容：傅立叶定律及其应用；傅立叶定律及其应用；导热系数及其影响因素；导热系数及其影响因素；导热问题的数学模型。导热问题的数学模型。2 2、掌握内容：、掌握内容：一维稳态导热问题的分析解法一维稳态导热问题的分析解法 3 3、了解内容：、了解内容：多维导热问题多维导热问题 2-1 2-1 导热基本定律导热基本定律一一、温度场、温度场（Temperaturefield）1、概念、概念

37、 温度场是指在各个时刻物体内各点温度温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。分布的总称。由傅立叶定律知，由傅立叶定律知，物体的温度分布是坐物体的温度分布是坐标和时间的函数标和时间的函数：其中其中 为空间坐标，为空间坐标，为时间坐标。为时间坐标。2 2、温度场分类、温度场分类 1 1）稳态温度场（定常温度场）稳态温度场（定常温度场）（Steady-state conductionSteady-state conduction）是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式：其表

38、达式：2 2）非稳态温度场（非定常温度场）非稳态温度场（非定常温度场）（Transientconduction）是指在变动工作条件下，物体中各点的温是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式：度场，其表达式：若物体温度仅一个方向有变化，这种情况若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。下的温度场称一维温度场。等温面与等温线等温面与等温线v等温线：等温线：用一个平面与各等温面相交，在这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个平面上得到一个等温线簇v等温面：等温面：同一时刻、温度场中所

39、有温度相同同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面的点连接起来所构成的面等温面与等温线的特点：等温面与等温线的特点：v(1)(1)温度不同的等温面或等温线彼此不能相温度不同的等温面或等温线彼此不能相交交v(2)(2)在连续的温度场中，等温面或等温线不在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面会中断，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（曲线），或者就终止与物体的边界上v物体的温度场通常用等温面或等温线表示物体的温度场通常用等温面或等温线表示v等温线图的物理意义：等温线图的物理意义：v若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线若每

40、条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。如图所示是用等温线图表示温度场的实小。如图所示是用等温线图表示温度场的实例。例。二二、导热基本定律、导热基本定律1、导热基本定律（傅立叶定律）、导热基本定律（傅立叶定律）1 1）定义：）定义：在导热现象中，单位时间内通过在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率，而热量传递的方截面方向上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反，即向与温度升高的方向相反，即 2 2）数学表达式：）数学表达式

41、：（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）3 3）傅里叶定律用热流密度表示：）傅里叶定律用热流密度表示：其中其中 热流密度热流密度(单位时间内通过单位单位时间内通过单位面积的热流量面积的热流量)物体温度沿物体温度沿 x x 轴方向轴方向的变化率的变化率 当物体的温度是三个坐标的函数时，当物体的温度是三个坐标的函数时，其形其形式为式为:是空间某点的温度梯度；是空间某点的温度梯度；是通过该点等温线上的法向是通过该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的单位矢量，指向温度升高的方向；方向；是该处的热流密度矢量。是该处的热流密度矢量。式中：式中：2 2、温度

42、梯度与热流密度矢量的关系、温度梯度与热流密度矢量的关系 如图如图 2-2 2-2（a a）所示，表示了微）所示，表示了微元面积元面积 dA dA 附近的温度分布及垂直于该微元附近的温度分布及垂直于该微元面积的热流密度矢量的关系。面积的热流密度矢量的关系。1 1）热流线）热流线 定义：热流线是一组与等温线处处定义：热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。该点的热流密度矢量相切。2 2）热流密度矢量与热流线的关系：）热流密度矢量与热流线的关系：在整个物体中，热流密度矢量的走向可在整个物体中，热流密度矢量的走向可用热

43、流线表示。如图用热流线表示。如图 2-2 2-2（b b）所示，其）所示，其特点是相邻两个热流线之间所传递的热流密特点是相邻两个热流线之间所传递的热流密度矢量处处相等，构成一热流通道。度矢量处处相等，构成一热流通道。三三 、导热系数、导热系数 （导热率、比例系数）导热率、比例系数）1 1、导热系数的含义、导热系数的含义 导热系数的定义式由傅里叶定律的数学表导热系数的定义式由傅里叶定律的数学表达式给出：达式给出：数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模。产生的热流密度矢量的模。2 2、影响热导率的因素：、影响热导率的因素：物质的种类、材料

44、成分、温度、物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等湿度、压力、密度等3 3、保温材料（隔热、绝热材料）、保温材料（隔热、绝热材料）把导热系数小的材料称保温材料。把导热系数小的材料称保温材料。我国规定：我国规定：350 350 时，时，0.12w/mk 0.12w/mk 保温材料导热系数界定值的大小保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保温材料的生产及节能的水反映了一个国家保温材料的生产及节能的水平。平。越小，生产及节能的水平越高。我国越小，生产及节能的水平越高。我国 50 50 年代年代 0.23W/mk 80 0.23W/mk 80 年代年代 GB4272-84 GB4272-8

45、4 0.14w/mk GB427-92 0.12w/mk 0.14w/mk GB427-92 0.12w/mk 4、保温材料热量转移机理、保温材料热量转移机理(高效保温材料高效保温材料)高温时：高温时：（1 1）蜂窝固体结构的导热）蜂窝固体结构的导热 （2 2）穿过微小气孔的导热）穿过微小气孔的导热 更高温度时：更高温度时：（1 1）蜂窝固体结构的导热）蜂窝固体结构的导热 （2 2）穿过微小气孔的导热和辐射）穿过微小气孔的导热和辐射 5、超级保温材料、超级保温材料采取的方法：采取的方法：（1 1）夹层中抽真空夹层中抽真空（减少通过导热而造成（减少通过导热而造成热损失）热损失）（2 2）采用多层

46、间隔结构采用多层间隔结构（1cm 1cm 达十几层）达十几层）特点：特点：间隔材料的反射率很高，减少辐间隔材料的反射率很高，减少辐射换热，垂直于隔热板上的导热系数可达：射换热，垂直于隔热板上的导热系数可达：10-4w/mk 10-4w/mk 6、各向异性材料、各向异性材料指有些材料（木材，石墨）各向结构指有些材料（木材，石墨）各向结构不同，各方向上的不同，各方向上的 也有较大差别，这些材也有较大差别，这些材料称各向异性材料。此类材料料称各向异性材料。此类材料 必须注明方必须注明方向。相反，称各向同性材料。向。相反，称各向同性材料。2-2 2-2 导热微分方程式及定解条件导热微分方程式及定解条件

47、由前可知：由前可知：（1 1）对于一维导热问题，根据傅立叶定律）对于一维导热问题，根据傅立叶定律积分，可获得用两侧温差表示的导热量。积分，可获得用两侧温差表示的导热量。（2 2）对于多维导热问题，首先获得温度场）对于多维导热问题，首先获得温度场的分布函数，然后根据傅立叶定律求得空间的分布函数，然后根据傅立叶定律求得空间各点的热流密度矢量。各点的热流密度矢量。一一、导热导热微分方程微分方程1、定、定义义：根据能量守恒定律与傅立叶定律，根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中的温度场应满足的数学表达建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，称为导热微分方程。式，称为导热微分方程。2、导热导热微

48、分方程的数学表达式微分方程的数学表达式导热微分方程的推导方法，假定导热物体是导热微分方程的推导方法，假定导热物体是各向同性的。各向同性的。1 1）针对笛卡儿坐标系中微元平行六面体）针对笛卡儿坐标系中微元平行六面体 由前可知，空间任一点的热流密度由前可知，空间任一点的热流密度矢量可以分解为三个坐标方向的矢量。矢量可以分解为三个坐标方向的矢量。同理，通过空间任一点任一方向的同理，通过空间任一点任一方向的热流量也可分解为热流量也可分解为 x x、y y、z z 坐标方向坐标方向的分热流量，如图的分热流量，如图 2-4 2-4 所示。所示。通过通过 x=x x=x、y=y y=y、z=z z=z，三个

49、微元表，三个微元表面而导入微元体的热流量：面而导入微元体的热流量：x x、y y、z z 的计算。的计算。根据傅立叶定律得根据傅立叶定律得 (a)通过通过 x=x+dx x=x+dx、y=y+dy y=y+dy、z=z+dz z=z+dz 三个三个微元表面而导出微元体的热流量微元表面而导出微元体的热流量 x+dx x+dx、y+dy y+dy、z+dz z+dz 的计算。根据傅立叶定的计算。根据傅立叶定律得：律得：(b)对于任一微元体根据能量守恒定律，在对于任一微元体根据能量守恒定律，在任一时间间隔内有以下热平衡关系：任一时间间隔内有以下热平衡关系：导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量+微

50、元体微元体内热源的生成热内热源的生成热=导出微元体的总热流量导出微元体的总热流量 +微元体热力学能（内能）的增量微元体热力学能（内能）的增量(c)微元体热力学能的增量微元体热力学能的增量=微元体内热源的生成热微元体内热源的生成热=其中其中 微元体的密度、比微元体的密度、比热容、单位时间内单位体积内热源的生成热容、单位时间内单位体积内热源的生成热及时间。热及时间。导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量导出微元体的总热流量导出微元体的总热流量 将以上各式代入热平衡关系式，并整理得：将以上各式代入热平衡关系式，并整理得：这是笛卡尔坐标系中这是笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方三维非稳态导热微分方程