總復習1大工傳熱學講解

1、1 復復 習習 2 考試時間：考試時間：第十七周第十七周 考試周考試周 考試地點：考試地點：待定待定 答疑時間：答疑時間：6 6月月1 14 4日，第十六周日，第十六周 星期五，星期五，9:00-11:30,14:00-16:309:00-11:30,14:00-16:30 答疑地點：答疑地點：綜合實驗綜合實驗2 2號樓號樓423423、419A419A。 3 平時成績平時成績：2020 期末考試期末考試：8080 4 題型題型 1 1. .簡答題簡答題 2 2. .證明證明 3 3. .計算題計算題 5 簡答：簡答： P23 . 1,3,5,6P23 . 1,3,5,6 P88. P88.

2、1,3,41,3,4 P151. 1,2,6P151. 1,2,6 P185. 1,2,6P185. 1,2,6 P224. 1,2,5P224. 1,2,5 P286. 1,4,9P286. 1,4,9 P338. 1,5,8P338. 1,5,8 P387. 1,3,4,6,7,8P387. 1,3,4,6,7,8 P445. 1,4,5,7,8,9P445. 1,4,5,7,8,9 6 證明證明 1.1. 導熱問題數(shù)學描述導熱問題數(shù)學描述 2.2. 等截面直肋導熱等截面直肋導熱 3.3. 集總參數(shù)問題數(shù)學描述集總參數(shù)問題數(shù)學描述 4.4. 穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)導熱節(jié)點差分方程式穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)導熱節(jié)

3、點差分方程式 5.5. 對流傳熱問題能量方程式對流傳熱問題能量方程式 6.6. 邊界層對流傳熱問題數(shù)學描述邊界層對流傳熱問題數(shù)學描述 7.7. 相似原理準則關聯(lián)式相似原理準則關聯(lián)式 7 1.1. 蘭貝特定律蘭貝特定律 2.2. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 3.3. 角系數(shù)角系數(shù) 4.4. 兩灰體間輻射換熱量兩灰體間輻射換熱量 b b E I 22 2 2, 1111 1 21 2, 1 111 AXAA EE bb 1 ,222, 11 XAXA 8 第第1 1章章 緒論緒論 1.1. 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式 2.2. 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù) 9 第第1 1章

4、章 緒論緒論 重點掌握重點掌握： 熱傳導、熱對流、熱輻射三種熱量傳遞基熱傳導、熱對流、熱輻射三種熱量傳遞基 本方式及傳熱過程的特點。本方式及傳熱過程的特點。 10 第第2 2章章 穩(wěn)態(tài)熱傳導穩(wěn)態(tài)熱傳導 1.1. 導熱基本定律導熱基本定律 2.2. 導熱問題的數(shù)學描寫導熱問題的數(shù)學描寫 3.3. 典型一維穩(wěn)態(tài)導熱問題的分析解典型一維穩(wěn)態(tài)導熱問題的分析解 4.4. 肋片肋片 5.5. 有內(nèi)熱源的一維導熱有內(nèi)熱源的一維導熱 11 第第2 2章章 穩(wěn)態(tài)熱傳導穩(wěn)態(tài)熱傳導 o 重點掌握重點掌握： 溫度場、溫度梯度、熱流密度等基本溫度場、溫度梯度、熱流密度等基本 概念；傅里葉定律；不同材料導熱系數(shù)的概念；傅

5、里葉定律；不同材料導熱系數(shù)的 量級；直角坐標系下導熱微分方程式及其量級；直角坐標系下導熱微分方程式及其 推導方法；通過平壁、圓筒壁、肋壁穩(wěn)態(tài)推導方法；通過平壁、圓筒壁、肋壁穩(wěn)態(tài) 導熱的計算方法；非穩(wěn)態(tài)導熱過程的特點、導熱的計算方法；非穩(wěn)態(tài)導熱過程的特點、 非穩(wěn)態(tài)導熱計算的集總參數(shù)法。非穩(wěn)態(tài)導熱計算的集總參數(shù)法。 12 o 重點掌握重點掌握：非穩(wěn)態(tài)導熱過程的特點、：非穩(wěn)態(tài)導熱過程的特點、 o 零維問題集中參數(shù)法。零維問題集中參數(shù)法。 第第3 3章章 非穩(wěn)態(tài)熱傳導非穩(wěn)態(tài)熱傳導 13 1.1. 數(shù)值求解的基本思想數(shù)值求解的基本思想 2.2. 內(nèi)節(jié)點離散方程的建立內(nèi)節(jié)點離散方程的建立 3.3. 邊界節(jié)

6、點離散方程的建立邊界節(jié)點離散方程的建立 4.4. 非穩(wěn)態(tài)導熱問題數(shù)值解非穩(wěn)態(tài)導熱問題數(shù)值解 第第4 4章章 熱傳導問題的數(shù)值解熱傳導問題的數(shù)值解 14 o 重點掌握：重點掌握： o 列節(jié)點差分方程（物理法）列節(jié)點差分方程（物理法） 內(nèi)節(jié)點，邊界節(jié)點內(nèi)節(jié)點，邊界節(jié)點 第第4 4章章 熱傳導問題的數(shù)值解熱傳導問題的數(shù)值解 15 1.1. 對流傳熱概述對流傳熱概述 2.2. 對流換熱問題的數(shù)學描述對流換熱問題的數(shù)學描述 3.3. 邊界層問題的數(shù)學描寫邊界層問題的數(shù)學描寫 4.4. 外掠等溫平板層流換熱分析解外掠等溫平板層流換熱分析解 第第5 5章章 對流換熱的理論基礎對流換熱的理論基礎 16 重點掌

7、握：重點掌握： （1 1）對流換熱的牛頓冷卻公式；）對流換熱的牛頓冷卻公式； （2 2）邊界層的概念與特點及其對求解對）邊界層的概念與特點及其對求解對 流換熱問題的意義流換熱問題的意義 第第5 5章章 對流換熱的理論基礎對流換熱的理論基礎 17 1.1. 相似原理及其應用相似原理及其應用 2.2. 單相強制對流換熱實驗關聯(lián)式內(nèi)部、外部單相強制對流換熱實驗關聯(lián)式內(nèi)部、外部 3.3. 自然對流換熱大空間自然對流換熱大空間 第第6 6章章 單相對流換熱的實驗關聯(lián)式單相對流換熱的實驗關聯(lián)式 18 重點掌握：重點掌握： （1 1）相似原理的主要內(nèi)容及相似原理指導下的實）相似原理的主要內(nèi)容及相似原理指導下

8、的實 驗研究方法；驗研究方法； （2 2）對流換熱特征數(shù)）對流換熱特征數(shù)( (Nu、Re、Pr、Gr) )的表達的表達 式及其物理意義；式及其物理意義； （3 3）管內(nèi)和外掠圓管束的強制對流換熱及大空間）管內(nèi)和外掠圓管束的強制對流換熱及大空間 自然對流換熱的特點、影響因素，會利用特征自然對流換熱的特點、影響因素，會利用特征 數(shù)關聯(lián)式計算上述對流換熱問題。數(shù)關聯(lián)式計算上述對流換熱問題。 第第6 6章章 單相對流換熱的實驗關聯(lián)式單相對流換熱的實驗關聯(lián)式 19 重點掌握：重點掌握： 1.1. 凝結傳熱的模式，影響因素及傳熱強化凝結傳熱的模式，影響因素及傳熱強化 2.2. 沸騰傳熱的模式，影響因素及傳

9、熱強化沸騰傳熱的模式，影響因素及傳熱強化 第第7 7章章 相變對流換熱相變對流換熱 20 第8章熱輻射基本定律和輻射特性 1.1. 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 2.2. 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律 3.3. 實際物體的輻射特性實際物體的輻射特性 4.4. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 21 重點掌握：重點掌握： （1 1）黑體、灰體、吸收比、發(fā)射比、透射）黑體、灰體、吸收比、發(fā)射比、透射 比、發(fā)射率、輻射力、輻射強度、有效輻比、發(fā)射率、輻射力、輻射強度、有效輻 射等熱輻射的基本概念；射等熱輻射的基本概念； （2 2）黑體輻射的基本定律；）黑體輻射的基本定律； （3 3）實際物體的輻

10、射特性，基爾霍夫定律）實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律 22 第第9 9章輻射換熱的計算章輻射換熱的計算 1.1. 角系數(shù)角系數(shù) 2.2. 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱 3.3. 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱多表面系統(tǒng)的輻射傳熱 4.4. 氣體輻射的特點，計算不要求氣體輻射的特點，計算不要求 5.5. 輻射傳熱的控制，遮熱板輻射傳熱的控制，遮熱板 23 重點掌握：重點掌握： （1 1）角系數(shù)的定義及性質(zhì)、角系數(shù)計算的）角系數(shù)的定義及性質(zhì)、角系數(shù)計算的 代數(shù)法代數(shù)法； （2 2）輻射熱阻的概念）輻射熱阻的概念，黑體和灰體表面組成黑體和灰體表面組成 的簡單封閉空腔內(nèi)輻射換熱的計算方法。

11、的簡單封閉空腔內(nèi)輻射換熱的計算方法。 24 第第1010章傳熱過程分析與換熱器章傳熱過程分析與換熱器 1.1.傳熱過程傳熱過程 2 2 換熱器換熱器 3 3 平均溫差的計算平均溫差的計算 4.4.間壁式換熱器的熱計算間壁式換熱器的熱計算 25 重點掌握重點掌握： （1 1）傳熱過程和傳熱系數(shù)的概念，掌握肋）傳熱過程和傳熱系數(shù)的概念，掌握肋 壁傳熱的計算方法，了解傳熱的強化與削壁傳熱的計算方法，了解傳熱的強化與削 弱方法。弱方法。 （2 2）了解換熱器的類型與構造，掌握換熱）了解換熱器的類型與構造，掌握換熱 器熱計算的對數(shù)平均溫差法。器熱計算的對數(shù)平均溫差法。 26 三種基本的傳熱方式：導熱、對

12、流和熱輻射 導熱的基本定律：導熱的基本定律：傅里葉定律傅里葉定律 d W d t A x 2 dW dm t q Ax 第第1 1章章 緒論緒論 27 Q 1w t 2w t A 圖圖1-2 1-2 導熱熱阻的圖示導熱熱阻的圖示 1w t 2w t t 0 x dx dt Q r ttt q ww 21 R t A tt ww 21 r A R 導熱熱阻導熱熱阻 單位導熱熱阻單位導熱熱阻 要求會用熱阻方法求換熱量要求會用熱阻方法求換熱量 28 () W wf hA tt 2 () W m wf qAh tt 對流換熱：基本計算公式對流換熱：基本計算公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式 h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

13、 熱流量W，單位時間傳遞的熱量 q 2 W m 熱流密度 2 W (mK) A 2 m 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積 w tC 固體壁表面溫度固體壁表面溫度 f t 流體溫度流體溫度 C 29 當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時 間內(nèi)所傳遞的熱量 ( () wf hA tt 2 W (mK) 影響影響h h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等 1 () 1 h h tt h AR tt q hr 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 30 1 () h RhAC W 2 1 h rhmC W 對流換熱熱阻：對流換熱熱阻： 31 熱輻射熱輻射

14、 黑體輻射的控制方程：黑體輻射的控制方程： 斯忒藩玻耳茲曼定律斯忒藩玻耳茲曼定律 4 A T 4 A T 真實物體則為：真實物體則為： 32 1-2 1-2 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù) 1 1 傳熱過程傳熱過程: :兩流體間通過固體壁面進行的換熱兩流體間通過固體壁面進行的換熱 2 2 傳熱過程包含的傳熱方式：傳熱過程包含的傳熱方式：導熱、對流、熱輻射導熱、對流、熱輻射 圖圖1 14 4 墻壁的散熱墻壁的散熱 33 3 3 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞 圖圖1 15 5 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程 忽略熱輻射換熱，則忽略熱輻射換熱，則 左側(cè)對流換熱熱阻

15、左側(cè)對流換熱熱阻 1 1 1 Ah Rh 固體的導熱熱阻固體的導熱熱阻 右側(cè)對流換熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻 2 2 1 h R Ah A R 34 上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為： 21 21 21 21 11 )()( AhAAh tt RRR tt ff hh ff tAkttAk ff )( 21 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) ，是表征傳熱過程強烈程度的標尺，是表征傳熱過程強烈程度的標尺， 不是物性參數(shù)，與過程有關。不是物性參數(shù)，與過程有關。 2 W m K 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) 21 21 1 11 1 hh rrr hh k 單位熱阻或面積熱阻單位熱阻或面積熱阻 35 a.k

16、越大，傳熱越好。若要增大 k，可增大 12 , , hh或減小 c.c. h h1 1、h h2 2的計算方法及增加的計算方法及增加k k值的措施值的措施 注意：注意： b.b. 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時，不能用熱阻分析非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時，不能用熱阻分析 法法 36 第二章 穩(wěn)態(tài)導熱 o 重點掌握重點掌握： 溫度場、溫度梯度、熱流密度等基本概念；溫度場、溫度梯度、熱流密度等基本概念； 導熱傅里葉定律；不同材料導熱系數(shù)的量級；導熱傅里葉定律；不同材料導熱系數(shù)的量級； 直角坐標系下導熱微分方程式及其推導方法；直角坐標系下導熱微分方程式及其推導方法； 通過平壁、圓筒壁、肋壁穩(wěn)態(tài)導熱的計

17、算方法。通過平壁、圓筒壁、肋壁穩(wěn)態(tài)導熱的計算方法。 37 (1).(1).若物性參數(shù)若物性參數(shù) 、c c 和和 均為常數(shù)：均為常數(shù)： 222 2 222 (); or vv qqttttt aat xyzcc 2 m sa c 熱擴散率 2 拉 普 拉 斯 算 子 直角坐標系下導熱微分方程式直角坐標系下導熱微分方程式 38 (2).(2).若物性參數(shù)為常數(shù)且無內(nèi)熱源：若物性參數(shù)為常數(shù)且無內(nèi)熱源： (3).(3).若物性參數(shù)為常數(shù)、穩(wěn)態(tài)導熱：若物性參數(shù)為常數(shù)、穩(wěn)態(tài)導熱： 222 2 222 (); or ttttt aat xyz 222 2 222 0 ttt t xyz (4).(4).若物

18、性參數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱：若物性參數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱： 222 222 0 v qttt xyz 39 導熱過程的定解條件導熱過程的定解條件 使微分方程獲得適合某一特定問題的解的附加條件使微分方程獲得適合某一特定問題的解的附加條件 穩(wěn)態(tài)導熱問題常見的三類邊界條件穩(wěn)態(tài)導熱問題常見的三類邊界條件 使微分方程獲得適合某一特定問題的解的附加條件使微分方程獲得適合某一特定問題的解的附加條件 (1). (1). 第一類邊界條件第一類邊界條件已知任一瞬間導熱體邊界上溫度值已知任一瞬間導熱體邊界上溫度值 穩(wěn)態(tài)導熱：穩(wěn)態(tài)導熱： t tw w = = constconst 非穩(wěn)態(tài)導熱：非穩(wěn)態(tài)導熱：

19、t tw w = f = f ( ( ) ) 40 （2 2）第二類邊界條件）第二類邊界條件 根據(jù)傅里葉定律：根據(jù)傅里葉定律： 已知物體邊界上已知物體邊界上熱流密度熱流密度的分布及變化規(guī)律：的分布及變化規(guī)律： 第二類邊界條件相當于已知任何時刻物體邊界第二類邊界條件相當于已知任何時刻物體邊界 面法向的溫度梯度值面法向的溫度梯度值 穩(wěn)態(tài)導熱：穩(wěn)態(tài)導熱： q qw w 非穩(wěn)態(tài)導熱：非穩(wěn)態(tài)導熱： ( ,) w s qqfr w qconst() w qf () wn t q n () w n qt n 41 （3 3）第三類邊界條件）第三類邊界條件 當物體壁面與流體相接觸進行對流換熱時，已知當物體壁面

20、與流體相接觸進行對流換熱時，已知 任一時刻邊界面周圍流體的溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)任一時刻邊界面周圍流體的溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) t tf, f, h h q qw w () wf w tnh tt 42 2-3 通過平壁、圓筒壁、球殼和其它 變截面物體的導熱 本節(jié)將針對一維、穩(wěn)態(tài)、常物性、無內(nèi)熱源情況，考察平本節(jié)將針對一維、穩(wěn)態(tài)、常物性、無內(nèi)熱源情況，考察平 板和圓柱內(nèi)的導熱。板和圓柱內(nèi)的導熱。 直角坐標系：直角坐標系： z t zy t yx t x t c )()()( 1. 單層平壁的導熱單層平壁的導熱 o x a 幾何條件：單層平板；幾何條件：單層平板； b 物理條件：物理條件： 、c、 已知

21、；無內(nèi)熱源已知；無內(nèi)熱源 c 時間條件：時間條件： 0 :t穩(wěn)態(tài)導熱 d 邊界條件：第一類邊界條件：第一類 43 由熱阻分析法：由熱阻分析法： n i i i n n i i n tt r tt q 1 11 1 11 問：現(xiàn)在已經(jīng)知道了問：現(xiàn)在已經(jīng)知道了q q，如何計算其中第，如何計算其中第 i i 層的右側(cè)壁溫？層的右側(cè)壁溫？ 第一層：第一層： 1 1 1221 1 1 )( qttttq 第二層：第二層： 2 2 2332 2 2 )( qttttq 第第 i 層：層： i i iiii i i qttttq 111) ( 44 下面來看一下圓筒壁內(nèi)部的熱流密度和熱流分布情況下面來看一下

22、圓筒壁內(nèi)部的熱流密度和熱流分布情況 2 12 21 m W )ln(d d rr tt rr t q ww W 2 )ln( 2 21 12 21 R tt l rr tt rlq wwww )ln( )ln( )( 12 1 211 rr rr tttt www rrr tt dr dt ww 1 )ln( 12 21 長度為長度為 l 的圓筒的圓筒 壁的導熱熱阻壁的導熱熱阻 雖然是穩(wěn)態(tài)情況，但雖然是穩(wěn)態(tài)情況，但 熱流密度熱流密度 q 與半徑與半徑 r 成反比！成反比！ 45 日常生活中的例子 o 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和 冬天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房 間里所穿

23、的衣服能否一樣？ o 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中 的感覺不一樣。為什么？ 46 第三章非穩(wěn)態(tài)導熱 非穩(wěn)態(tài)導熱過程非穩(wěn)態(tài)導熱過程( (集總參數(shù)法集總參數(shù)法) )。 重點掌握重點掌握： 47 1 1）畢渥數(shù)的定義：）畢渥數(shù)的定義：1 h Bi h 畢渥數(shù)屬特征數(shù)（準則數(shù)）。畢渥數(shù)屬特征數(shù)（準則數(shù)）。 2 2）Bi Bi 物理意義：物理意義： Bi Bi 的大小反映了物體在的大小反映了物體在 非穩(wěn)態(tài)條件下內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律。非穩(wěn)態(tài)條件下內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律。 48 Bi 準則對溫度分布的影響 t i B i B0 0B i 1 2 2 3 12 12 0 1 0 1 000 0 t

24、t 0 tt 0 tt Bi 準則對無限大平壁溫度分布的影響 49 3-2 集總參數(shù)法的簡化分析 1 定義：定義：忽略物體內(nèi)部導熱熱阻、認為物體溫度均勻一致的忽略物體內(nèi)部導熱熱阻、認為物體溫度均勻一致的 分析方法。此時，分析方法。此時， ，溫度分布只與時間有，溫度分布只與時間有 關，即關，即 ，與空間位置無關，因此，也稱為，與空間位置無關，因此，也稱為 零維問題。零維問題。 Bi )(ft 2 溫度分布 如圖所示，任意形狀的物體，參數(shù)均 為已知。 0 0tt 時， t 將其突然置于溫度恒為將其突然置于溫度恒為 的流的流 體中體中。 50 當物體被冷卻時（tt）,由能量守恒可知 d dt Vct

25、thA-)( d Vc hAd 方程式改寫為：方程式改寫為： 過余溫度令： tt，則有，則有 00 )0( - tt d d VchA 51 0 0 d Vc hAd Vc hA ln 0 d Vc hAd 積分積分 Vc hA e tt tt 00 其中的指數(shù)：其中的指數(shù)： vv FoBi AV aAVh cV A A hV cV hA 2 2 2 )( )( 52 %8 .36 1 0 e 即與即與 的量綱相同，當?shù)牧烤V相同，當 時，則時，則 1 hA Vc 1 Vc hA 此時，此時， 上式表明：當傳熱時間等于上式表明：當傳熱時間等于 時，物體的過時，物體的過 余溫度已經(jīng)達到了初始過余溫

26、度的余溫度已經(jīng)達到了初始過余溫度的36.8。 稱稱 為時間常數(shù)，用為時間常數(shù)，用 表示。表示。 hA Vc hA Vc c 53 如果導熱體的熱容量（ Vc ）小、換熱條件好 （h大），那么單位時間所傳遞的熱量大、導熱體 的溫度變化快，時間常數(shù) ( Vc / hA) 小。 對于測溫的熱電偶節(jié)點，時間常數(shù)越小、說明熱 電偶對流體溫度變化的響應越快。這是測溫技術 所需要的 %83. 1 4 0 時，當 hA Vc 工程上認為=4 Vc / hA 時 導熱體已達到熱平衡狀態(tài) 54 4 物理意義物理意義 vv FoBi h lhl 1 Bi 物體表面對流換熱熱阻 物體內(nèi)部導熱熱阻 Fo越大，熱擾動就能

27、越深入地傳播到物體越大，熱擾動就能越深入地傳播到物體 內(nèi)部，因而，物體各點地溫度就越接近周內(nèi)部，因而，物體各點地溫度就越接近周 圍介質(zhì)的溫度。圍介質(zhì)的溫度。 22 F l o l a 換熱時間 邊界熱擾動擴散到 面積上所需的時間 55 采用此判據(jù)時，物體中各點過余溫度的差別小于5% M1 . 0 )AV(h Biv 對厚為2的 無限大平板 對半徑為R的 無限長圓柱 對半徑為R的 球 3 1 M 2 1 M 1M 3 B B 3 R R4 R 3 4 A V 2 B B 2 R R2 R A V BB A A A V i iv 2 3 i iv 2 iiv 5 集總參數(shù)法的應用條件集總參數(shù)法的應

28、用條件 56 第四章導熱問題的數(shù)值解法 能夠列出節(jié)點差分方程能夠列出節(jié)點差分方程 57 x y x y n m (m,n) M N 基本概念：控制容積、網(wǎng)格線、節(jié)點、界面線、步長基本概念：控制容積、網(wǎng)格線、節(jié)點、界面線、步長 二維矩形二維矩形 域內(nèi)穩(wěn)態(tài)域內(nèi)穩(wěn)態(tài) 無內(nèi)熱源，無內(nèi)熱源， 常物性的常物性的 導熱問題導熱問題 58 1.1.邊界節(jié)點離散方程的建立：邊界節(jié)點離散方程的建立： qw x y qw (1) 平直邊界上的節(jié)點平直邊界上的節(jié)點 2 ,1,1, 1, 2 24 x ttq x tt nmnmnmwnmnm 0 2 22 , ,1,1, , 1 y x y ttx y ttx yq

29、x tt y nm nmnmnmnm w nmnm yx 如圖所示如圖所示 邊界節(jié)點邊界節(jié)點 (m,n) (m,n) 只能只能 代表半個元體，若邊界上有向該代表半個元體，若邊界上有向該 元體傳遞的熱流密度為元體傳遞的熱流密度為q qw w ，據(jù)能，據(jù)能 量守恒定律對該元體有：量守恒定律對該元體有： 59 (2) 外部角點外部角點 2 2 2 2 ,1, 1, x q x ttt nmwnmnmnm 0 22 22 22 , ,1, , 1 yx y ttx q x q y x tty nm nmnm w w nmnm yx x y qw 如圖所示，二維墻角計算區(qū)域中，如圖所示，二維墻角計算區(qū)域

30、中， 該節(jié)點外角點僅代表該節(jié)點外角點僅代表 1/4 個以個以 為邊長的元體。為邊長的元體。xy、 60 (3) 內(nèi)部角點內(nèi)部角點 ) 2 2 3 22( 6 1 22 , 11,1, 1, w nmnmnmnmnm q xx ttttt 0 4 3 22 22 , ,1,1, , 1, 1 yx q x y ttx y tt x q y x tty x tt y nm w nmnmnmnm w nmnmnmnm yx x qw 如圖所示內(nèi)部角點代表了如圖所示內(nèi)部角點代表了 3/4 3/4 個元體，在個元體，在 同樣的假設條件下有同樣的假設條件下有 61 第五章 對流換熱 重點掌握：重點掌握：

31、（1 1）對流換熱的牛頓冷卻公式；）對流換熱的牛頓冷卻公式； （2 2）邊界層的概念與特點及其對求解）邊界層的概念與特點及其對求解 對流換熱問題的意義；對流換熱問題的意義； 62 5-1 對流換熱概述 1 1 對流換熱的定義和性質(zhì)對流換熱的定義和性質(zhì) 對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的 熱量傳遞現(xiàn)象熱量傳遞現(xiàn)象 對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導熱；不 是基本傳熱方式 3 對流換熱的基本計算式 W )( tthA w 2 mW )( fw tth Aq 牛頓冷卻式: 63 4 4 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系數(shù)）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱

32、系數(shù)） )( ttAh w C)(mW 2 如何確定如何確定h h及增強換熱的措施是對流換熱及增強換熱的措施是對流換熱 的核心問題的核心問題 64 5 對流換熱的影響因素對流換熱的影響因素 對流換熱是流體的導熱和對流兩種基本傳熱方式共同作用的對流換熱是流體的導熱和對流兩種基本傳熱方式共同作用的 結果。其影響因素主要有以下五個方面：結果。其影響因素主要有以下五個方面：(1)流動起因流動起因; (2) 流動狀態(tài)流動狀態(tài); (3)流體有無相變流體有無相變; (4)換熱表面的幾何因素換熱表面的幾何因素; (5) 流體的熱物理性質(zhì)流體的熱物理性質(zhì) 65 對流換熱分類小結 66 層流底層層流底層 緩沖層緩

33、沖層 u 湍流湍流過渡流過渡流層流層流 c x y x 5-3 邊界層概念及邊界層換熱微分方程組邊界層概念及邊界層換熱微分方程組 67 1. 1. 物理現(xiàn)象物理現(xiàn)象 當粘性流體在壁面上流動時，當粘性流體在壁面上流動時， 由于粘性的作用，在貼附于壁面的流體速度由于粘性的作用，在貼附于壁面的流體速度 實際上等于零，在流體力學中稱為貼壁處的實際上等于零，在流體力學中稱為貼壁處的 無滑移邊界條件。無滑移邊界條件。 2.2. 實驗測定實驗測定 若用儀器測出壁面法向（若用儀器測出壁面法向（ 向）的速度分布，如上圖所示。在向）的速度分布，如上圖所示。在 處，處， ；此后隨；此后隨 ， 。 經(jīng)經(jīng) 過一個薄層后

34、過一個薄層后 接近主流速度。接近主流速度。 0y y 0uyu u 68 3.3. 定義定義 這一薄層稱為流動邊界層（速度邊界這一薄層稱為流動邊界層（速度邊界 層），通常規(guī)定：層），通常規(guī)定： （主流速度）處的（主流速度）處的 距離距離 為流動邊界層厚度，記為為流動邊界層厚度，記為 。 0.99uu y 4. 4. 數(shù)量級數(shù)量級 流動邊界層很薄，如空氣，以流動邊界層很薄，如空氣，以 掠過平板，在離前緣掠過平板，在離前緣 處的邊界處的邊界 層厚度約為層厚度約為 。 16 /um s 1m 5mm 69 3.3. 定義定義 這一薄層稱為流動邊界層（速度邊這一薄層稱為流動邊界層（速度邊 界層），通常

35、規(guī)定：界層），通常規(guī)定： （主流速度）（主流速度） 處的距離處的距離 為流動邊界層厚度，記為為流動邊界層厚度，記為 。 0.99uu y 4. 4. 數(shù)量級數(shù)量級 流動邊界層很薄，如空氣，以流動邊界層很薄，如空氣，以 掠過平板，在離前緣掠過平板，在離前緣 處的邊處的邊 界層厚度約為界層厚度約為 。 16 /um s 1m 5mm 70 熱邊界層熱邊界層 y x 等溫流動區(qū)等溫流動區(qū) 溫度邊界層溫度邊界層 t ,0 w tt ,ut 71 由于速度在壁面法線方向的變化出現(xiàn)了由于速度在壁面法線方向的變化出現(xiàn)了 流動邊界層，同樣，當流體與壁面之間存在流動邊界層，同樣，當流體與壁面之間存在 溫度差時，

36、將會產(chǎn)生溫度差時，將會產(chǎn)生熱邊界層熱邊界層，如上圖所示如上圖所示。 在在 處，流體溫度等于壁溫處，流體溫度等于壁溫 ，0y w tt 0 w tt 72 流動邊界層的幾個重要特性 (1) 邊界層厚度 與壁的定型尺寸L相比極小， L (2) 邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度 (3) 邊界層流態(tài)分層流與湍流；湍流邊界層緊靠壁面處 仍有層流特征，粘性底層（層流底層） (4) 流場可以劃分為邊界層區(qū)與主流區(qū) 邊界層區(qū)：由粘性流體運動微分方程組描述 主流區(qū)：由理想流體運動微分方程歐拉方程描述 73 第六章第六章 相似原理及量綱分析相似原理及量綱分析 重點掌握：重點掌握： （1 1）相似原理的主要內(nèi)容及相似原理

37、指導下的）相似原理的主要內(nèi)容及相似原理指導下的 實驗研究方法；實驗研究方法； （2 2）對流換熱特征數(shù)）對流換熱特征數(shù)( (NuNu、ReRe、PrPr、GrGr) )的表的表 達式及其物理意義；達式及其物理意義； （3 3）管內(nèi)和外掠圓管束的強制對流換熱及大）管內(nèi)和外掠圓管束的強制對流換熱及大 空間自然對流換熱的特點、影響因素，會利用空間自然對流換熱的特點、影響因素，會利用 特征數(shù)關聯(lián)式計算上述對流換熱問題。特征數(shù)關聯(lián)式計算上述對流換熱問題。 74 1.相似原理的研究內(nèi)容：相似原理的研究內(nèi)容：研究相似物理現(xiàn)象之間的關系，研究相似物理現(xiàn)象之間的關系， (1)物理現(xiàn)象相似：物理現(xiàn)象相似：對于同類

38、的物理現(xiàn)象，在相應的時刻與相對于同類的物理現(xiàn)象，在相應的時刻與相 應的地點上與現(xiàn)象有關的物理量一一對應成比例。應的地點上與現(xiàn)象有關的物理量一一對應成比例。 (2)同類物理現(xiàn)象：同類物理現(xiàn)象：用相同形式并具有相同內(nèi)容的微分方程式用相同形式并具有相同內(nèi)容的微分方程式 所描寫的現(xiàn)象。所描寫的現(xiàn)象。 2. 物理現(xiàn)象相似的特性物理現(xiàn)象相似的特性 (1)同名特征數(shù)對應相等；同名特征數(shù)對應相等； (2)各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關系，如常物性流體外略平板對各特征數(shù)之間存在著函數(shù)關系，如常物性流體外略平板對 流換熱特征數(shù)：流換熱特征數(shù)： Pr)(Re,fNu 特征數(shù)方程：無量特征數(shù)方程：無量 綱量之間的函數(shù)關綱量

39、之間的函數(shù)關 系系 75 同名的已定特征數(shù)相等同名的已定特征數(shù)相等 單值性條件相似：初始條件、單值性條件相似：初始條件、 邊界條件、幾何條件、物理條件邊界條件、幾何條件、物理條件 3. 物理現(xiàn)象相似的條件物理現(xiàn)象相似的條件 76 Nu hd dhudhu dcba 0110 1 1111 Re 2 udud Pr 3 a c p Pr)(Re,fNu 單相、強制 對流 77 使用特征方程時應注意的問題：使用特征方程時應注意的問題： （1 1）特征長度應該按準則式規(guī)定的方式選?。┨卣鏖L度應該按準則式規(guī)定的方式選取 o 特征長度：特征長度：包含在相似特征數(shù)中的幾何長度；包含在相似特征數(shù)中的幾何長度

40、； o 如：管內(nèi)流動換熱：取直徑如：管內(nèi)流動換熱：取直徑 d d o 流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動：流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動： 取取當量直徑當量直徑作為特征尺度：作為特征尺度： 6.2 6.2 相似原理的應用相似原理的應用 78 （2 2）定性溫度應按該準則式規(guī)定的方式選?。┒ㄐ詼囟葢丛摐蕜t式規(guī)定的方式選取 o 定性溫度：定性溫度：計算流體物性時所采用的溫度。計算流體物性時所采用的溫度。 o 常用的選取方式有：常用的選取方式有： 通道內(nèi)部流動取進出口截面的平均值通道內(nèi)部流動取進出口截面的平均值 外部流動取邊界層外的流體溫度或去這外部流動取邊界層外的流體溫度或去這 一溫度與

41、壁面溫度的平均值。一溫度與壁面溫度的平均值。 79 （3 3）準則方程不能任意推廣到得到該方）準則方程不能任意推廣到得到該方 程的實驗參數(shù)的范圍以外程的實驗參數(shù)的范圍以外 o 參數(shù)范圍主要有：參數(shù)范圍主要有： 數(shù)范圍；數(shù)范圍； 數(shù)范圍；數(shù)范圍； 幾何參數(shù)范圍。幾何參數(shù)范圍。 Re Pr 80 2 2 常見無量綱常見無量綱( (準則數(shù)準則數(shù)) )數(shù)的物理意義及表達式數(shù)的物理意義及表達式 81 例題 o 已知冷空氣溫度為0 ，以6m/s的流速平等的吹 過一太陽能集熱器表面，該表面尺寸1m*1m，其 中一個邊與來流方向垂直。表面平均溫度為20 ， 求由于對流散熱而散失的熱量. o 解：定性溫度tm=

42、(0+20)/2=10, o 物性參數(shù)0.0251W/(m*K) o 14.16*10-6m2/s o Pr0.705，ReuL/4.237*105 o Nu=0.664Re0.5Pr0.333=384.7 o h=Nu /l=9.66W/(m2k) o Q=Aht=193W 82 第七章第七章 凝結與沸騰換熱凝結與沸騰換熱 o 掌握凝結與沸騰換熱的模式掌握凝結與沸騰換熱的模式 o 影響凝結與沸騰換熱的因素。影響凝結與沸騰換熱的因素。 影響凝結換熱的因素。影響凝結換熱的因素。 1.1. 不凝結氣體不凝結氣體2. 蒸氣流速蒸氣流速3. 過熱蒸氣過熱蒸氣 4. 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性液

43、膜過冷度及溫度分布的非線性 5. 5. 管子排數(shù)管子排數(shù) 6. 6. 管內(nèi)冷凝管內(nèi)冷凝 7. 7. 凝結表面的幾何形狀凝結表面的幾何形狀 83 影響沸騰換熱的因素影響沸騰換熱的因素 1 不凝結氣體對膜狀沸騰換熱的影響不凝結氣體對膜狀沸騰換熱的影響 2 過冷度過冷度 3 液位高度液位高度4 重力加速度重力加速度5 沸騰表面的結構沸騰表面的結構 84 o 第八章第八章 熱輻射基本定律及 物體的輻射特性 o 重點掌握：重點掌握： （1 1）黑體、灰體、吸收比、發(fā)射比、透射比、發(fā)射）黑體、灰體、吸收比、發(fā)射比、透射比、發(fā)射 率、輻射力、輻射強度、有效輻射等熱輻射的基率、輻射力、輻射強度、有效輻射等熱輻

44、射的基 本概念；本概念； （2 2）黑體輻射的基本定律；）黑體輻射的基本定律； （3 3）實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律；）實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律； 85 輻射力輻射力E E： 單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有 波長的能量總和。波長的能量總和。 (W/m2)； 光譜輻射力光譜輻射力E E ： 單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)( (包含某一給定波長包含某一給定波長) )，物，物 體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m3)； 熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表

45、示方法 E、E關系關系:顯然，顯然， E和和E之間具有如下關系：之間具有如下關系： dEE 0 黑體一般采用下標黑體一般采用下標b表示，如黑體的輻射力為表示，如黑體的輻射力為Eb， 黑體的黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為Eb 86 4 b EET 1 )( 5 1 2 Tc b e c E (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一個定律第一個定律) )： 33 max 2.8976 102.9 10m KT (2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二個定律第二個定律) )： 4 0 )( 5 1 0 1 2 Td e c dEE

46、Tc bb 87 圖圖7-10 7-10 定向輻射強度的定義圖定向輻射強度的定義圖 3.Lambert 定律定律(黑體輻射的第三個基本定律黑體輻射的第三個基本定律) cos dd ),(d L A 它說明黑體的定向輻射力隨天頂角它說明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見圖呈余弦規(guī)律變化，見圖7- 11，因此，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。定律也稱為余弦定律。 88 層 次數(shù)學表達式成立條件 光譜，定向 光譜，半球 全波段，半球 無條件，為天頂角 漫射表面 與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻?),(),(TT ),(),(TT )()(TT 4. Kirchhoff 4. Kirc

47、hhoff 定律的定律的 注：注： (1)(1)漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無 關，即符合關，即符合LambertLambert定律的物體表面；定律的物體表面； (2)(2)灰體：指光譜吸收比與波長無關的物體，其發(fā)射和吸收灰體：指光譜吸收比與波長無關的物體，其發(fā)射和吸收 輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的 比例。比例。 89 第九章第九章 輻射換熱的計算輻射換熱的計算 o 重點掌握：重點掌握： 1 1、角系數(shù)的定義及性質(zhì)、角系數(shù)計算、角系數(shù)的定義及性質(zhì)、角系數(shù)計算 的

48、代數(shù)法；的代數(shù)法； 2 2、輻射熱阻的概念，黑體和灰體表面、輻射熱阻的概念，黑體和灰體表面 組成的簡單封閉空腔內(nèi)輻射換熱的計組成的簡單封閉空腔內(nèi)輻射換熱的計 算方法。算方法。 90 有兩個表面，編號為有兩個表面，編號為1和和2，其間充滿透明介質(zhì)，則表面，其間充滿透明介質(zhì)，則表面1 對表面對表面2的角系數(shù)的角系數(shù)X1,2是：表面是：表面1直接投射到表面直接投射到表面2上的能上的能 量，占表面量，占表面1輻射能量的百分比。即輻射能量的百分比。即 圖8-1 有效輻射示意圖 的有效輻射表面 的投入輻射對表面表面 1 21 2, 1 X 同理，也可以定義表面同理，也可以定義表面2對表面對表面1的角系數(shù)。

49、從這個概的角系數(shù)。從這個概 念我們可以得出角系數(shù)的應用是有一定限制條件的，念我們可以得出角系數(shù)的應用是有一定限制條件的， 即即漫射面、等溫、物性均勻漫射面、等溫、物性均勻 角系數(shù)定義角系數(shù)定義 91 o 2. 角系數(shù)性質(zhì)角系數(shù)性質(zhì) o (1) 相對性相對性 o (2)完整性完整性 1 , 222, 11 XAXA n i in XXXXX 1 , 1, 13 , 12, 11 , 1 1 若表面若表面1 1為非凹表面時，為非凹表面時，X X1,1 1,1 = 0 = 0。 n i i XX 1 2,12,1 (3) (3) 可加性可加性 92 3 角系數(shù)的計算方法角系數(shù)的計算方法 三個非凹表面

50、組成的封閉系統(tǒng)三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng) 1 321 2, 1 2A AAA X 的斷面長度表面 不交叉線之和交叉線之和 1 , 22 )()( Aab bdacadbc X cdab 兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng) 93 9-2 9-2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱 的部分的部分 到達表面到達表面 的熱輻射的熱輻射 發(fā)出表面發(fā)出表面 12 21 )( 212, 111 ,2222, 1112, 1 bbbb EEXAXEAXEA 圖圖8-7 黑體系統(tǒng)的黑體系統(tǒng)的 輻射換熱輻射換熱 1 黑體表面黑體表面 如圖

51、如圖8-78-7所示，黑表面所示，黑表面1 1和和2 2之間的輻射換熱量為之間的輻射換熱量為 94 于是有于是有 22 2 2,1111 1 21 2,1 111 AXAA EE bb 圖圖8-8 8-8 兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng) 1 11 1 1 )( 22 1 2, 11 211 2, 1 A A X EEA bb 2 漫灰表面漫灰表面 95 定義系統(tǒng)黑度定義系統(tǒng)黑度( (或稱為系統(tǒng)發(fā)射率或稱為系統(tǒng)發(fā)射率) ) 1 1 1 1 1 1 2 1 ,2 1 2,1 XX s 1 11 1 1 )( 22 1 2, 11 211 2, 1 A A X EEA bb )

52、( 212, 112, 1bbs EEXA )( 212,112,1bb EEXA 與黑體輻射換熱比較，上式多了一個與黑體輻射換熱比較，上式多了一個 ，它是考慮由，它是考慮由 于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對換熱量影響的因子。于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對換熱量影響的因子。 s 96 三種特殊情形三種特殊情形 (1)(1) 表面表面1 1為凸面或平面，此時，為凸面或平面，此時，X X1,2 1,2 1 1，于是，于是 1 1 1 1 1 1 22 1 2, 1 1 2, 1 A A XX s 1 11 1 22 1 1 A A s (2)(2) 表面積表面積A A1 1比表面積比表面積A A2 2小得多

53、，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0 于是于是 1 s (3)(3) 表面積表面積A A1 1與表面積與表面積A A2 2相當，即相當，即A A1 1/A/A2 2 1 1 于是于是 1 11 1 21 s 97 9-3 9-3 多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算 要求能夠應用網(wǎng)絡法進行多表面要求能夠應用網(wǎng)絡法進行多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算系統(tǒng)輻射換熱的計算 98 網(wǎng)絡法的應用舉例網(wǎng)絡法的應用舉例 兩漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)，參兩漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)，參 見見圖圖8-88-8，其等效網(wǎng)絡圖見，其等效網(wǎng)絡圖見8-118-11 所示，根據(jù)電路中的所示，根據(jù)電路中的基爾霍夫定基爾霍夫定 律律流入節(jié)