中南大学复习课-工程传热学说课材料

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1、工程工程(gngchng)传传热学复习课热学复习课2023/8/171第一页，共43页。第一章第一章 绪论绪论(xln)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、物理意义的定义、物理意义(yy)及单位？及单位？平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单平壁的导热热阻，表示物体对导热的阻力，单位为位为K/W(heat convection)2023/8/172第二页，共43页。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

2、义及单位(dnwi)？影响影响h的因素的因素热辐射（热辐射（heat radiation）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2023/8/173第三页，共43页。传热传热(chun r)过程与传热过程与传热(chun r)系数系数传热传热(chun r)过程定义过程定义传热传热(chun r)系数定义系数定义传热传热(chun r)过程计算过程计算2023/8/174第四页，共43页。第二章第二章 稳态导热稳态导热(dor)2-1基本概念基本概念温度温度(wnd)场场(temperature field)：用文字描述用文字描述温温度度(wnd)不不随随时时间间变变化化的

3、的温温度度(wnd)场场，其中的导热称为稳态导热：其中的导热称为稳态导热：等温面与等温线等温面与等温线定义定义特征：特征：2023/8/175第五页，共43页。温度梯度温度梯度(temperature gradient,方向和大小方向和大小)：定义：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傅立叶定律(dngl)及导热系数及导热系数2023/8/176第六页，共43页。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(zrn)

4、对对流流不不易易展展开开，由由于空气导热系数低，故起到很好的保温作用。于空气导热系数低，故起到很好的保温作用。2023/8/177第七页，共43页。温度对导热系数的影响温度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度所有物质的导热系数都是温度的函数的函数,不同物质的热导率随温度的变化不同物质的热导率随温度的变化(binhu)规律不同。规律不同。在工业和日常生活中常见的温度范围内在工业和日常生活中常见的温度范围内,绝大多数材料的导热系数可以近似地认为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随温度线性变化(binhu),表示为：表示为：变化变化(binhu)时温度分布曲线

5、时温度分布曲线2023/8/178第八页，共43页。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(hny)热扩散率定义、出处、物理意义，与导热系热扩散率定义、出处、物理意义，与导热系数区别数区别2023/8/179第九页，共43页。导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件导热问题导热问题(wnt)的求解方法的求解方法:(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。2023/8/1710

6、第十页，共43页。2-2一维稳态导热一维稳态导热(dor)1 通过平壁的导热通过平壁的导热(dor)=0(1+b bt)b0b0t1 t20 x2023/8/1711第十一页，共43页。2 通过通过(tnggu)圆筒壁的导热圆筒壁的导热2023/8/1712第十二页，共43页。例：由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。第二例：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，各层的厚度及导热系数层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，各层的厚度及导热系数分别为分别为1240mm，1=1.04W/(m)，250mm,2=0.15W/(m)，3115mm,3=0.63W

7、/(m)。炉墙。炉墙内侧耐火砖的表面温度为内侧耐火砖的表面温度为1000。炉墙外侧红砖的表面温度。炉墙外侧红砖的表面温度为为60。试计算。试计算(j sun)硅藻土层的平均温度及通过炉墙的硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。导热热流密度。解：解：已知已知 1 10.24m,0.24m,1 1=1.04W/(m=1.04W/(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 2023/8/1713第十三页，共43页。t2t3

8、t4t1 qt1 r1 t2 r2 t3 r3 t4硅藻土层的平均温度硅藻土层的平均温度为为 2023/8/1714第十四页，共43页。第三章第三章 非稳态导热非稳态导热(dor)3-1非稳态导热非稳态导热(dor)过程过程非稳态导热非稳态导热(dor)：周期性和非周期性：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段）、正规状况阶段正规状况阶段(a)=1 (b)=2 (c)=3 (d)=42023/8/1715第十五页，共43页。边界条件对温度分布的影响边界条件对温度分布的影响(yngxing)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

9、式和物理意义t0t t01/h/2 t /1/h2 t 1/h/2 t02023/8/1716第十六页，共43页。3-2 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(fnb)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2023/8/1717第十七页，共43页。3-3 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求解思路(sl)：建立导热微分方程式，：建立导热微分方程式，引引进过余温度将非齐次方程组化为齐次方程，进过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。采用

10、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，注意只适用利用线算图可求解温度及热量，注意只适用于于Fo 0.2的情况。的情况。2023/8/1718第十八页，共43页。例例 一块厚一块厚200mm的大钢板，钢材的密度为的大钢板，钢材的密度为=7790kg/m3，比热容，比热容cp=170J/(kgK)，导热，导热(dor)系数为系数为43.2W/(mK)，钢板的初始温度为，钢板的初始温度为20，放入，放入1000的加热炉中加热，表面传热系数的加热炉中加热，表面传热系数为为 h=300W/(m2K)。试求加热。试求加热40分钟时钢板的中分钟时钢板的中心

11、温度。心温度。解：解：根据题意根据题意(t y)，=100mm=0.1m。钢材的热扩散。钢材的热扩散率为率为 2023/8/1719第十九页，共43页。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 2023/8/1720第二十页，共43页。第四章第四章 对流对流(duli)换热原理换热原理4-1对流换热概述对流换热概述牛牛顿顿冷冷却却公公式式 ,因因此此求求解解h 是是对流换热计算的核心问题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对 流流 换换 热热 影影 响响 因因 素素:流流 速速、流流 态态、流流 动动(lidng)起起因因、换换热热面面的的几几何何因因素

12、素、流流体体物物性性2023/8/1721第二十一页，共43页。4-2 层流流动换热的微分方程层流流动换热的微分方程(fngchng)组组不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性不可压缩牛顿型流体二维对流换热问题，常物性假定。假定。连续性方程连续性方程(fngchng)动量微分方程动量微分方程(fngchng)(2个个)能量微分方程能量微分方程(fngchng)对流换热微分方程对流换热微分方程(fngchng)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(dor)微微分分方方程程联联系系2023/8/1722第二十二页，共43页。4-3 对流换热过程对流

13、换热过程(guchng)的相似理论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式的实验获取方法2023/8/1723第二十三页，共43页。4-4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

14、中的各项进行(jnxng)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。2023/8/1724第二十四页，共43页。例例 温温度度为为30的的空空气气(kngq)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热边边界界层层的的厚厚度度及及空空气气(kngq)与与单位宽度平板的换热量。单位宽度平板的换热量。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

15、性性(w xn)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处处，雷诺数为雷诺数为 2023/8/1725第二十五页，共43页。边边界界层层为为层层流流(cn li)。流流动动边边界界层层的的厚厚度为度为 热边界层的厚度热边界层的厚度(hud)为为 可见可见(kjin)，空气的热边界层比流动边界层略厚。，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 2023/8/1726第二十六页，共43页。1m宽宽平平板板与与空空气气(kngq)的的换换热量为热量为 2023

16、/8/1727第二十七页，共43页。第五章第五章 对流对流(duli)换热计算换热计算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紊 流流 与与 层层 流流 的的 准准 则则(zhnz)关关 联联 式式（Re=2200 104）注意：定性温度与定型尺寸的选择注意：定性温度与定型尺寸的选择2023/8/1728第二十八页，共43页。5-2 流体外掠物体流体外掠物体(wt)的对流换热计算的对流换热计算外掠平板（外掠平板（Rec=5105）准则关联式，定性温度与定型尺寸准则关联

17、式，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，定性温度与定型尺寸准则关联式，定性温度与定型尺寸外掠管束外掠管束准则关联式，定性温度与定型尺寸准则关联式，定性温度与定型尺寸2023/8/1729第二十九页，共43页。5-3 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，热力管道表无限空间自然对流换热：例如，热力管道表面散热面散热竖直平板在空气中自然冷却流动和换热特征竖直平板在空气中自然冷却流动和换热特征 竖板自然对流换热的微分方程竖板自然对流换热的微分方程(wi fn fn chn)组组有限空间自然对流换热有限空间自然对流换热：例如，空气夹层例如，空气夹层2

18、023/8/1730第三十页，共43页。对流换热经验公式对流换热经验公式(gngsh)不需要记，但不需要记，但给出诸如给出诸如Nu=f(Re,Pr)或或Nu=(Gr,Pr)的经验的经验公式公式(gngsh)后，针对上面公式后，针对上面公式(gngsh)中的修正需要知道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2023/8/1731第三十一页，共43页。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(pngbn)，试试求求出

19、出平平板板(pngbn)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宽度平板位宽度平板(pngbn)的换热量。的换热量。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(cnsh)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 2023/8/1732第三十二页，共43页。边边界界层层为为层层流流(cn li)。流流动动边边界界层层的厚度为的厚度为 热边界层的厚度热边界层的厚度(hud)为为 可见，空气可见，空气(kng

20、q)的热边界层比流动边界层略厚。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 2023/8/1733第三十三页，共43页。1m宽宽平平板板与与空空气气(kngq)的的换换热量为热量为 2023/8/1734第三十四页，共43页。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(chngd)为为3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度度分分别别为为15和和65，试试计计算算管管内内的的表表面面传传热热系数。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(hl)进

21、进口口段段的影响。冷却水的平均温度为的影响。冷却水的平均温度为 从从附附录录(fl)中中水水的的物物性性表表中中可可查查得得 2023/8/1735第三十五页，共43页。f=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31管内管内(un ni)雷诺数为雷诺数为 管管内内流流动动(lidng)为为旺旺盛盛紊紊流。流。2023/8/1736第三十六页，共43页。第六章辐射第六章辐射(fsh)换热原理换热原理 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,反射反射(fnsh)和透射和透射吸收率，反射

22、吸收率，反射(fnsh)率及透射率的定义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2023/8/1737第三十七页，共43页。6-2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(dngy)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为计注意：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方向的单算依据，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。位投影面积作为计算依据。2023/8/1738第三十八页，共43页。黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律普朗

23、克定律普朗克定律给出黑体单色辐射力和波长、热力学温度之给出黑体单色辐射力和波长、热力学温度之间的函数关系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，试用维恩位移定律分析思考：加热金属时，试用维恩位移定律分析金属颜色金属颜色(yns)随温度的变化。随温度的变化。2023/8/1739第三十九页，共43页。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：漫辐射表面遵守兰贝特余弦定律注意：漫辐射表面遵守兰贝特余弦定律波段辐射与辐射函数波段辐射与辐射函数黑体的吸收黑体的吸收(xshu)特性特性2023/8/1740第四十页，共43页。6-3实际物体实际物体

24、(wt)的辐射和吸收的辐射和吸收实际物体实际物体(wt)的辐射的辐射黑度（发射率）黑度（发射率）定义、影响因素定义、影响因素实际物体实际物体(wt)的吸收的吸收灰体灰体吸收比定义、影响因素吸收比定义、影响因素实际物体实际物体(wt)表面对波长（光谱）的选择性表面对波长（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2023/8/1741第四十一页，共43页。第七章第七章 辐射辐射(fsh)换热计算换热计算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：成成为为纯纯粹粹的的几几何何(j h)量量的的条条件件（漫漫辐辐射射体体及表面辐射热流均匀）及表面辐射热流均匀）2023/8/1742第四十二页，共43页。7-2 被透明被透明(tumng)介质隔开的灰体表面间的介质隔开的灰体表面间的辐射换热辐射换热温室效应，玻璃花房工作原理温室效应，玻璃花房工作原理P3772023/8/1743第四十三页，共43页。