传热学-第2、3章稳态热传导、非稳态热传导.ppt

欢迎参加欢迎参加传热学传热学课程学习课程学习2023年2月15日Heat Transfer HeatTransfer 第二章 稳态热传导稳态热传导l2.1 导热基本定律导热基本定律Fourier定律定律l2.2 导热问题的数学描述导热问题的数学描述l2.3 典型一维稳态导热问题的分析解典型一维稳态导热问题的分析解l2.4 通过肋片的导热通过肋片的导热l2.5 具有内热源的一维导热问题具有内热源的一维导热问题l2.6 多维稳态导热的求解多维稳态导热的求解总结总结（1）温度场、温度梯度、导热系数、热阻、肋片效）温度场、温度梯度、导热系数、热阻、肋片效率等基本概念；率等基本概念；（2）付里叶定律的内容、表达式及其适用条件；）付里叶定律的内容、表达式及其适用条件；（5）掌握肋片效率的影响因素及提高肋片效率的方）掌握肋片效率的影响因素及提高肋片效率的方法。法。（3）掌握导热问题的数学描述方法，能够正确建立）掌握导热问题的数学描述方法，能够正确建立导热问题的物理模型和数学模型；导热问题的物理模型和数学模型；（4）会计算）会计算通过平壁、圆筒壁、球壳、肋壁的稳态通过平壁、圆筒壁、球壳、肋壁的稳态通过平壁、圆筒壁、球壳、肋壁的稳态通过平壁、圆筒壁、球壳、肋壁的稳态导热和传热过程；导热和传热过程；导热和传热过程；导热和传热过程；本章主要讲述导热的基本概念、本章主要讲述导热的基本概念、本章主要讲述导热的基本概念、本章主要讲述导热的基本概念、基本定律基本定律基本定律基本定律、导热导热导热导热现象的数学描述方法及现象的数学描述方法及现象的数学描述方法及现象的数学描述方法及通过平壁、圆筒壁、球壳通过平壁、圆筒壁、球壳通过平壁、圆筒壁、球壳通过平壁、圆筒壁、球壳和肋和肋和肋和肋壁稳态导热的分析计算方法，壁稳态导热的分析计算方法，壁稳态导热的分析计算方法，壁稳态导热的分析计算方法，重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：Heat TransferHeat Transfertw1tw2qtx问题问题1 1：通过平壁的导热总结：通过平壁的导热总结其次，对控制方程进行积分运算得到方程的通解首先，根据物理问题写出控制方程与边界条件/初始条件然后，代入边界条件以确定控制方程通解中的常数最后，确定物理问题的解稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，热流量热流量始终保持不变。始终保持不变。稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，稳态传热过程中，如果没有热损失，则热量传递的方向上，热流密度热流密度q始终保持不变。始终保持不变。通过圆筒壁稳态导热，不同半径处热流量处处相等。通过圆筒壁稳态导热，不同半径处热流量处处相等。通过圆筒壁稳态导热，不同半径处热流密度处处相等。通过圆筒壁稳态导热，不同半径处热流密度处处相等。（）（）（）（）判断题通过圆筒壁稳态导热，不同半径处通过圆筒壁稳态导热，不同半径处单位长度圆筒壁的热流量单位长度圆筒壁的热流量处处相等处处相等（）课堂练习n1.在稳态导热中,决定物体内温度分布的是()A.导温系数B.导热系数C.传热系数D.密度Bn2.炉墙内壁到外壁的热传递过程为（）A 热对流 B 复合换热 C 对流换热 D 导热Dn3.在其他条件相同的情况下,下列哪种物质的导热能力最差?（）A.空气 B.水 C.氢气 D.油 A课堂练习n4.热传递的三种基本方式为（）A.导热、热对流和传热过程B.导热、热对流和辐射换热C.导热、热对流和热辐射D.导热、辐射换热和对流换热Cn5.对于过热器中：高温烟气外壁内壁过热的传热过程次序为（）A复合换热、导热、对流换热B导热、对流换热、复合换热C对流换热、复合换热、导热D复合换热、对流换热、导热A课堂练习n名词解释：当导热体中进行纯导热时,通过导热面的热流密度,其值与该处温度梯度的绝对值成正比,而方向与温度梯度相反。发生在稳态温度场内的导热过程称为稳态导热。或：物体中的温度分布不随时间而变化的导热称为稳态导热。3.传热过传热过程程 热量由固体壁面一侧的热流体通过固体壁面传递给另一侧冷流体的过程。1.导热基本定律导热基本定律2.稳态导热稳态导热课堂练习n导温系数仅出现在非稳态热量传输过程中,导温系数越大,物体内各处温度越不均匀n在第二类边界条件中，壁面温度是已知的，分析求解的目的是确定热流密度.()n在第三类边界条件中，物体表面对流传热系数是一个常数。n判断题：()()n水平热壁面朝上布置时比朝下时的对流换热量大()课堂练习n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该点的热流密度矢量相切n热辐射和流体对流及导热一样，需有温差才能发射辐射能。()n圆管外加肋片增加了外表面积，同时也减小了热阻。n判断题：()()n温度场中，热流线恒与等温线垂直相交。()Heat TransferHeat Transfer问题：通过平直肋片的导热问题：通过平直肋片的导热抽象空气xht0tt(x)=?Heat TransferHeat Transferxht0假定肋片温度仅在x方向发生变化。t分析要点：把肋片的散热看成是肋片的热产生率。问题：通过平直肋片的导热问题：通过平直肋片的导热Heat TransferHeat Transferxht0t为便于分析，我们定义：问题：通过平直肋片的导热问题：通过平直肋片的导热 第三章第三章 非非稳态热传导n n3.1 3.1 非稳态导热的基本概念非稳态导热的基本概念n n3.2 3.2 零维问题的分析法零维问题的分析法集中参数法集中参数法n n3.3 3.3 典型一维非稳态导热问题的分析解典型一维非稳态导热问题的分析解n n3.4 3.4 半无限大物体的非稳态导热半无限大物体的非稳态导热n n3.5 3.5 简单几何形状物体多维非稳态导热的分析解简单几何形状物体多维非稳态导热的分析解本章小结本章小结本章小结本章小结几个重要概念：几个重要概念：几个重要概念：几个重要概念：正规阶段与非正规阶段；正规阶段与非正规阶段；正规阶段与非正规阶段；正规阶段与非正规阶段；BiBi（毕渥数）；（毕渥数）；（毕渥数）；（毕渥数）；FoFo（傅立叶数）（傅立叶数）（傅立叶数）（傅立叶数）集中参数法；集中参数法；集中参数法；集中参数法；牛顿加热（牛顿冷却）；时间常数；牛顿加热（牛顿冷却）；时间常数；牛顿加热（牛顿冷却）；时间常数；牛顿加热（牛顿冷却）；时间常数；诺模图（海斯勒图）诺模图（海斯勒图）诺模图（海斯勒图）诺模图（海斯勒图）几种问题：几种问题：几种问题：几种问题：零维问题集中参数法零维问题集中参数法零维问题集中参数法零维问题集中参数法一维平板：诺模图；近似拟合法一维平板：诺模图；近似拟合法一维平板：诺模图；近似拟合法一维平板：诺模图；近似拟合法半无限大：误差函数半无限大：误差函数半无限大：误差函数半无限大：误差函数练习题1:分别写出Nu、Re、Pr、Bi数的表达式，并说明其物理意义。答:努塞尔(Nusselt)数，它表示表面上无量纲温度梯度的大小。雷诺(Reynolds)数，它表示惯性力和粘性力的相对大小。普朗特数，它表示动量扩散厚度和能量扩散厚度的相对大小。毕渥数，它表示导热体内部热阻与外部热阻的相对大小。练习题2:热扩散系数是表征什么的物理量？它与导热系数的区别是什么？答:热扩散率 ，与导热系数一样都是物性参数，它是表征物体传递温度的能力大小，亦称为导温系数，热扩散率取决于导热系数 和 的综合影响；而导热系数是反映物体的导热能力大小的物性参数。一般情况下，稳态导热的温度分布取决于物体的导热系数，但非稳态导热的温度分布不仅取决于物体的导热系数，还取决于物体的导温系数。练习题练习题3:3:集总参数法的适用条件是什么？满足集总集总参数法的适用条件是什么？满足集总参数法的物体，其内部温度分布有何特点？参数法的物体，其内部温度分布有何特点？答:集总参数法的适用条件是Bi0.1，其特点是当物体内部导热热阻远小于外部对流换热热阻时，物体内部在同一时刻均处于同一温度，物体内部的温度仅是时间的函数，而与位置无关。练习题练习题4:4:写出时间常数的表达式，时间常数是从什写出时间常数的表达式，时间常数是从什么导热问题中定义出来的？它与哪些因素有关？么导热问题中定义出来的？它与哪些因素有关？答:时间常数的表达式为 ，它是从非稳态导热问题中定义出来的，它不仅取决于几何 参数和物性参数，还取决于换热条件h。练习题练习题5:5:北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下表面的哪一面上容易结霜？为霜。试问树叶上、下表面的哪一面上容易结霜？为什么？什么？答:霜会容易结在树叶的上表面，因为树叶上表面朝向太空，而太空表面的温度会低于摄氏零度；下表面朝向地面，而地球表面的温度一般在零度以上。相对于下表面来说，树叶上表面向外辐射热量较多，温度下降的快，一旦低于零度时便会结霜。练习题练习题6:6:对流换热过程微分方程式与导热过程的第对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条件表达式有什么不同之处？三类边界条件表达式有什么不同之处？答:对流换热过程微分方程式与导热过程的第三类边界条件表达式都可以用下式表示 ，但是，前者的导热系数 为流体的导热系数，而且表面传热系数h是未知的；后者的导热系数 为固体的导热系数，而且表面传热系数h是已知的。练习题练习题7:7:用热电偶监测气流温度随时间变化规律时，用热电偶监测气流温度随时间变化规律时，应如何选择热电偶节点的大小？应如何选择热电偶节点的大小？答:在其它条件相同时，热电偶节点越大，它的温度变化一定幅度所需要吸收（或放出）的热量越多，此时虽然节点换热表面积也有所增大，但其增大的幅度小于体积增大的幅度。故综合地讲，节点大的热电偶在相同的时间内吸收热量所产生的温升要小一些。由 定义知，r为节点的半径，显然，节点半径越小，时间常数越小，热电偶的相应速度越快。练习题练习题8 8:25:25的热电偶被置于温度为的热电偶被置于温度为250 250 的气流中，设热电偶的气流中，设热电偶节点可以近似看成球形，要使其时间常数节点可以近似看成球形，要使其时间常数 ，问热节点的直，问热节点的直径为多大？忽略热电偶引线的影响，且热节点与气流间的表面传径为多大？忽略热电偶引线的影响，且热节点与气流间的表面传热系数为热系数为h=300W/(m2 K)h=300W/(m2 K)，热节点材料的物性参数为：导热系数，热节点材料的物性参数为：导热系数为为20W/(mK)20W/(mK)，如果气流与热节点间存如果气流与热节点间存在着辐射换热，且保持热电偶时间常数不变，则对所需热节点直在着辐射换热，且保持热电偶时间常数不变，则对所需热节点直径大小有和影响？径大小有和影响？解：（1）由于热电偶的较小，一般都满足集中参数条件，时间常数为：故热电偶的直径为：故热电偶的直径为：验证毕渥数Bi是否满足集总参数法：满足集中参数法条件满足集中参数法条件(2)若热节点与气流间存在辐射换热，则总的表面传热系数h（包括对流和辐射）将增加，由 知，要 保持 不变，可以使 增加，即热节点的直径增加。练习题练习题9:9:有一直径为有一直径为 5cm 5cm 的钢球，初始温度为的钢球，初始温度为 450 450，将其突然置于温度为，将其突然置于温度为 30 30 空气中，设钢球表面与空气中，设钢球表面与周围环境间的总换热系数为周围环境间的总换热系数为 24w/(m24w/(m 2 2.).)，试计算，试计算钢球冷却到钢球冷却到 300 300 所需的时间。已知钢球的所需的时间。已知钢球的 c c=0.48kJ/(kg.),=7753kg/m=0.48kJ/(kg.),=7753kg/m 3 3,=33w/(m.),=33w/(m.)解：先验算 Bi 准数,钢球的特征尺寸为：故可按照集中参数法进行计算故可按照集中参数法进行计算计算所需时间：