上海交大传热学.ppt

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1、上海交大传热学 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望传热学传热学传热学1 序论序论2 导热基本定律及稳态导热导热基本定律及稳态导热3 非稳态导热非稳态导热4 导热问题的数值算法导热问题的数值算法5 对流换热对流换热6 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热7 热辐射基本定律及物体的辐射换热热辐射基本定律及物体的辐射换热8 辐射换热的计算辐射换热的计算9 传热过程分析与换热器热计算传热过程分析与换热器热计算第一章 绪论传热学与热力学的区别传热学与热力学的区别传热学的

2、研究对象传热学的研究对象传热学应用实例传热学应用实例1-0 1-0 概概 述述导热对流辐射1-1 1-1 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1 导热（热传导）(1)(1)导热的基本定律：导热的基本定律：18221822年，法国数学家年，法国数学家Fourier:Fourier:t0 x dxdtQ1 1 导热（热传导）(续)(2)导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度有关。(3)一维稳态导热及其导热热阻 如图右图所示，稳态 q=const，于是积分Fourier定律有以上结果在2-3 节中会进一步说明。t0 x dxdtQQ1 导热（热传导）(续)Q图1-

3、3 导热热阻的图示(4)一维稳态导热及其导热热阻，t0 x dxdtQ导热热阻单位导热热阻w/m2wh 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度A 与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度 流体温度(1)对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式2 对流 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面积积上上、单单位位时时间内所传递的热量间内所传递的热量影响影响h因素因素：流速、流体物性、壁面形状大小等(2)对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)图16(3)对流换热热阻对流换热热阻 3 热辐射(1)热辐射的研究方法：热辐射的研究方法：黑体黑体修正（

4、黑度）修正（黑度）实际物体实际物体黑体的定义黑体的辐射控制方程Stefan-Boltzmann 定律 3 热辐射(5)(5)辐射换热的特点辐射换热的特点a a 不需要中间介质；不需要中间介质；b 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 c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结

5、果是热由高温传到低温总的结果是热由高温传到低温(4)辐射换热：辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量交换，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热类似。(6)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19)：3 热辐射 图19 两黑体表面间的辐射换热公式（19）不用看，因为用我们现在所学的知识还不能推导出来。In-Class Problems13一维、稳态、无内热源的传热系统示意图如下，垂直黑板方向的尺寸为b(m).di表示高度，忽略接触热阻。（1）画出等效热阻图（2）推导总热阻（等效热阻）、总传热系数以及总换热量公式（3）给出左侧外壁面温度的计算公式tf1,h1tf2,h21,d

6、14,d42,d23,d3L1L2L3Quick Review(1)导热导热 Fourier 定律：定律：(2)对流换热对流换热 Newton 冷却公式：冷却公式：(3)热辐射热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律：定律：2 三种传热方式及各自的特点和公式：三种传热方式及各自的特点和公式：1 传热学的定义和意义传热学的定义和意义3 传热过程的定义、传热过程分析、热阻的概念和分析方法传热过程的定义、传热过程分析、热阻的概念和分析方法？热阻和热阻分析法热阻和热阻分析法热阻和热阻分析法热阻和热阻分析法传热过程传热过程传热过程传热过程换热量换热量换热量换热量Quick Review4 导热系

7、数、表面传热系数、导热系数、表面传热系数、Stefan-Boltzmann常数？5 稳态传热和非稳态传热的特点及区别？稳态传热和非稳态传热的特点及区别？6 什么情况下热流恒定？什么情况下热流密度恒定？什么情况下热流恒定？什么情况下热流密度恒定？判断对错并简述理由：非稳态时，通过导热物体的热流量恒定？稳态时，通过导热物体的热流量恒定？Quick Review大纲要求1.热量传递的基本方式及传热机理。2.一维傅里叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义、单位。3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义、单位。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、单位。5.传热过程及传热系

8、数的定义及物理意义。6.热阻的概念，对流热阻、导热热阻的定义及基本表达式。7.接触热阻及污垢热阻的概念。8.使用串联热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。9.对流换热和传热过程的区别。表面传热系数（对流换热系数）和传热系数的区别。10.导热系数，表面传热系数和传热系数之间的区别。第二章第二章 导热基本定律及稳态导热导热基本定律及稳态导热2-1 2-1 导热基本定律导热基本定律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2-3 2-3 通过平壁、圆筒壁、球壳和其它变截面物通过平壁、圆筒壁、球壳和其它变截面物 体的导热体的导热2-4 2-4 通过肋片的导热通过肋片的导热2-5 2

9、-5 具有内热源的导热及多维导热具有内热源的导热及多维导热2-1 导热基本定律(1)温度场：温度场：三维非稳态温度场：三维稳态温度场：一维稳态温度场：二维稳态温度场：1 几个基本概念几个基本概念:温度场、等温面、等温线、温度梯度、热流密度矢量温度场、等温面、等温线、温度梯度、热流密度矢量2-1 导热基本定律（续）(2)等温线等温线(3)等温面等温面图图2-1 温度场的图示温度场的图示(4)等温面和等温线的特点等温面和等温线的特点2 导热基本定律导热基本定律Fourier Law对于一维情况，对于三维直角坐标系情况，有通用形式的Fourier Law图2-2 温度梯度2-1 导热基本定律（续）2

10、-1 导热基本定律（续）(1)(1)物物理理意意义义：热导率的数值就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量 。热导率的数值表征物质导热能力大小，由实验测定。(2)(2)影响因素：影响因素：物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等3 导热系数导热系数(热导率热导率)nA A 气体的导热系数气体的导热系数特点：特点：(a)气体的导热系数基本不随压力的改变而变化 (b)随温度的升高而增大 (c)随分子质量减小而增大B 液体的导热系数液体的导热系数特点：特点：(a)随压力的升高而增大 (b)随温度的升高而减小特点：特点：纯金属：纯金属：合金和非金属：合金和非金属：金属的导热系数与温

11、度的依变关系参见图图2-72-7C C 固体的导热系数固体的导热系数保温材料：国家标准规定，温度低于保温材料：国家标准规定，温度低于350350度时导热系数度时导热系数 小于小于 0.12W/(mK)0.12W/(mK)的材料（绝热材料）的材料（绝热材料）图图2-7 2-7 导热系数对温度的依变关系导热系数对温度的依变关系2-2 导热微分方程式及定解条件1 1 导热微分方程式的推导导热微分方程式的推导为什么需要导热微分方程？为什么需要导热微分方程？理论基础：理论基础：Fourier Fourier 定律定律 +能量守恒定律能量守恒定律 导热微分方程式导热微分方程式下面我们来考察一个矩形微元六面

12、体，如下图所示。下面我们来考察一个矩形微元六面体，如下图所示。xyzxx+dxdx假设：假设：(1)(1)所研究的物体是各向同性的连续介质所研究的物体是各向同性的连续介质 (2)(2)导热系数、比热容和密度均为已知导热系数、比热容和密度均为已知 (3)(3)物体内具有内热源；强度物体内具有内热源；强度 W/mW/m3 3;内热源均匀内热源均匀 分布；分布；2-2 导热微分方程式及定解条件2-2 导热微分方程式及定解条件dyyxodx根据能量守恒定律有：根据能量守恒定律有：导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量 inin+微元体内热源的生成热微元体内热源的生成热 g g=导出微元体的总热流量导

13、出微元体的总热流量 outout+微元体热力学能的增量微元体热力学能的增量 st sta 导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量Ein b 导出微元体的总热流量导出微元体的总热流量Eout 采用Taylor级数展开，并忽略高阶项，则有dyyxodx2-2 导热微分方程式及定解条件导热微分方程式及定解条件c 内热源的生成热内热源的生成热 d 热力学能的增量热力学能的增量？把把QQinin、QQoutout、QQg g、QQst st 带入前面的能量守恒方程带入前面的能量守恒方程这就是三维、非稳态、变物性、有内热源的导热微分方这就是三维、非稳态、变物性、有内热源的导热微分方程的一般形式。程的一般

14、形式。得得：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2 2 几种特殊情况几种特殊情况(1)(1)若物性参数若物性参数 、c c 和和 均为常数：均为常数：(2)(2)无内热源、常物性：无内热源、常物性：(3)(3)稳态、常物性：稳态、常物性：(4)(4)稳态、常物性、无内热源：稳态、常物性、无内热源：物理物理物理物理意义意义意义意义？友情提示：友情提示：非直角坐标系下的导热微分方程式自己看非直角坐标系下的导热微分方程式自己看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非稳态项扩散项源项是不是有了导热微分方程式，就可以获得温度分布呢？答案是否定的！定解条件定解条件(单

15、值性条件单值性条件)导热微分方程导热微分方程 +定解条件定解条件 +求解方法求解方法=确定的温度场确定的温度场定解条件包括四项：定解条件包括四项：几何、物理、时间、边界几何、物理、时间、边界下面详细介绍边界条件！下面详细介绍边界条件！边界条件：边界条件：规定了物体与外部环境之间的换热条件，包括以下三类：规定了物体与外部环境之间的换热条件，包括以下三类：a a 第一类边界条件第一类边界条件:已知任一瞬间导热体边界上的已知任一瞬间导热体边界上的温度值温度值：最简单的情况为：最简单的情况为：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b b 第二类边界条件第二类边界条件:已知任一瞬间导热

16、体边界上的已知任一瞬间导热体边界上的热流密度：热流密度：对于非稳态：最简单的情况为：第第二二类类边边界界条条件件相相当当于于已已知知任任何何时时刻刻物物体体边边界界面面法法向向的的温温度度梯度值梯度值qw特例：绝热边界面：特例：绝热边界面：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c c 第三类边界条件第三类边界条件:当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面已知任一时刻边界面周围流体的温度周围流体的温度和和表面传热系数表面传热系数NewtonNewton冷却公式：冷却公式：FourierFourier定律：定律：特例：特例：t

17、f,hx h=0 h=0时，变为绝热边界条件时，变为绝热边界条件 h h时，变为第一类边条时，变为第一类边条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In-Class Problems在任意直角坐标系下，对于以下两种关于第三类边界条件的表在任意直角坐标系下，对于以下两种关于第三类边界条件的表达形式，你认为哪个对？简述理由。达形式，你认为哪个对？简述理由。Quick Review：1 重要概念：温度场、温度梯度、导热系数及其性质、导温系数（热扩散率）定义及性质；2 导热微分方程式的理论基础及推导过程3 导热微分方程式的一般形式、组成、及在推导给定条件下的具体形式；4灵活运用导热微分

18、方程，如温度的空间分布通过导热方程与时间分布建立联系等5定解条件？边界条件？三类边界条件的数学表达式？2-3 通过平壁，圆筒壁，球壳和其它变截面物体的导热本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平板和本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平板和圆柱内的导热。圆柱内的导热。直角坐标系：直角坐标系：1 单层平壁的导热单层平壁的导热oxa 几何条件：几何条件：单层平板；b 物理条件：物理条件：、c、为常数并已知；无内热源 c 时间条件：时间条件：d 边界条件：边界条件：第一类2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）xo t1tt2直接积分，得：直接积分，得：根据上面的条

19、件可得：根据上面的条件可得：第一类边条：第一类边条：控制控制方程方程边界边界条件条件求解求解方法方法带入边界条件：带入边界条件：2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）带入带入Fourier 定律定律线性分布线性分布2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）2 多层平壁的导热多层平壁的导热t1t2t3t4t1t2t3t4三层平壁的稳态导热三层平壁的稳态导热多层平壁：由几层不同材料组成多层平壁：由几层不同材料组成 v 边界条件：边界条件：v 热阻：热阻：2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）由热阻分析法：由热阻分析法：问：知道了问：知道了q，如何计算其中第，如

20、何计算其中第 i 层的右侧壁温？层的右侧壁温？第一层：第二层：第 i 层：t1t2t3t4t1t2t3t42-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）单位：单位：t1t2t3t2三层平壁的稳态导热三层平壁的稳态导热tf1t2t3tf2h1h2tf2tf1？总传热系数？总传热系数？多层、第三类边条多层、第三类边条2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）3 单层圆筒壁的导热单层圆筒壁的导热圆柱坐标系：圆柱坐标系：一维、稳态、无内热源、常物性：一维、稳态、无内热源、常物性：第一类边界条件：第一类边界条件：(a)2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）对上述方程对上述方

21、程(a)(a)积分两次积分两次:第一次积分第一次积分第二次积分第二次积分应用边界条件应用边界条件获得两个系数获得两个系数将系数带入第二次积分结果将系数带入第二次积分结果显然，温度呈对数曲线分布显然，温度呈对数曲线分布2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况长度为长度为 l l 的圆筒壁的圆筒壁的导热热阻的导热热阻虽然是稳态情况，但虽然是稳态情况，但热流密度热流密度 q q 与半径与半径 r r 成反比！成反比！4 n层圆筒壁层圆筒壁由由不不同同材材料料构构成成的的多多层层圆圆筒筒壁壁，其其导

22、导热热热热流量可按总温差和总热阻计算流量可按总温差和总热阻计算通过单位长度圆筒壁的热流量通过单位长度圆筒壁的热流量单层圆筒壁，第三类边条，稳态导热通过单位长度圆筒壁传热过程的热阻通过单位长度圆筒壁传热过程的热阻 mK/WmK/Wh1h2(1)单层圆筒壁（续）单层圆筒壁（续）h1h2思思考考：壁壁面面温温度度分分布布应应如如何何求求出？出？(2)多层圆筒壁多层圆筒壁通过球壳的导热自己看？通过球壳的导热自己看？2-3 通过平壁，圆筒壁和其它变截面物体的导热（续）5 其它变面积或变导热系数问题其它变面积或变导热系数问题求解导热问题的主要途径分两步：求解导热问题的主要途径分两步：(1)(1)求解导热微

23、分方程，获得温度场；求解导热微分方程，获得温度场；(2)(2)根据根据FourierFourier定律和已获得的温度场计算热流量。定律和已获得的温度场计算热流量。对对于于稳稳态态、无无内内热热源源、第第一一类类边边条条下下的的一一维维导导热热问问题题，可可以以不不通通过温度场而直接获得热流量。此时，一维过温度场而直接获得热流量。此时，一维FourierFourier定律：定律：当当 (t),A=A(x)时，时，分离变量后积分，并注意到热流量分离变量后积分，并注意到热流量与与x 无关，得无关，得定义当当 随温度呈线性分布时，即随温度呈线性分布时，即 0 0atat，则，则实实际际上上，不不论论

24、如如何何变变化化，只只要要能能计计算算出出平平均均导导热热系系数数，就就可可以以利利用用前前面面讲讲过过的的所所有有定定导导热热系系数数公公式式，只只是是需需要要将将 换换成成平平均均导热系数。导热系数。Quick Review：1 1 第三类边界条件中两个温度的含义和先后顺序的确定第三类边界条件中两个温度的含义和先后顺序的确定2 2 通过微分方程获得温度分布的思路，以及在已知温度分布的前通过微分方程获得温度分布的思路，以及在已知温度分布的前 提下，如何获得热流量提下，如何获得热流量/热流密度？热流密度？3 3 平板导热热阻、圆筒壁导热热阻、对流换热热阻的含义和公式平板导热热阻、圆筒壁导热热阻

25、、对流换热热阻的含义和公式4 4 一维、稳态情况下，平板、圆筒壁内温度分布的特点和传热热一维、稳态情况下，平板、圆筒壁内温度分布的特点和传热热 流量的计算流量的计算5 5已知换热量的情况下，如何计算边界面温度已知换热量的情况下，如何计算边界面温度大纲要求1.矢量傅里叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义、单位。2.温度场、等温面、等温线的概念。3.利用能量守恒和傅里叶定律推到导热微分方程的基本方法。4.使用热阻概念，对通过单层和多层面板、圆筒和球壳壁的一维导热问题的计算方法。5.导热系数为温度的线性函数时，一维平板内温度分布曲线的形状及判断方法。6.用能量守恒和傅里叶定律推到等温界面和变截面肋片的导热微分方程的基本方法。7.肋效率的定义。8.肋片内温度分布及肋片表面散热量的计算。9.放置在环境空气中的有内热源物体的一维导热计算问题的计算方法。10.导热问题三类边界条件的数学描述。11.两维物体内等温线的物理意义。从等温线分布上可以看出哪些物理特征。12.导热系数为什么和物体温度有关。从等温线分布上可以看出哪些物理特征。13.导热系数为什么和物体温度有关？而在实际工程中为什么经将导热系数作为常数。14.什么是形状因子？如何应用形状因子进行多维导热问题计算？