01第一講傳熱基本概念和定律ppt課件

1、2022-1-13火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)Rocket Heat Transfer學(xué)學(xué) 分：分： 2教教 師：師： 陳陳 雄雄職職 稱：稱： 講講 師師聯(lián)系方法：聯(lián)系方法： 84315456chenxiongsc1632022-1-13學(xué)習(xí)內(nèi)容安排學(xué)習(xí)內(nèi)容安排l 第一講第一講 傳熱基本概念和定律傳熱基本概念和定律l 第二講第二講 導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱l 第三講第三講 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱l 第四講第四講 對(duì)流換熱對(duì)流換熱l 第五講第五講 輻射換熱輻射換熱l 第六講第六講 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳熱基本知識(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳熱基本知識(shí)l 第

2、七講第七講 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱傳導(dǎo)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱傳導(dǎo) l 第八講第八講 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的對(duì)流換熱固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的對(duì)流換熱l 第九講第九講 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的輻射換熱與復(fù)合換熱固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的輻射換熱與復(fù)合換熱l 第十講第十講 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱防護(hù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱防護(hù)l 第十一講第十一講 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的熱防護(hù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的熱防護(hù)l 第十二講第十二講 數(shù)值傳熱學(xué)概述數(shù)值傳熱學(xué)概述2022-1-13參參 考考 書書l 教教 材：材：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)鄭亞等編著鄭亞等編著l 輔助教材：輔助教材：傳熱學(xué)傳熱學(xué) 楊世銘、陶文銓編著，第三版楊世

3、銘、陶文銓編著，第三版l 數(shù)值傳熱學(xué)數(shù)值傳熱學(xué) 陶文銓編著陶文銓編著l Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Millsl Heat Transfer , by J.P.Holman2022-1-13考考 核核 方方 法法l 平時(shí)成績平時(shí)成績: 30% (包括：出勤及小測驗(yàn)包括：出勤及小測驗(yàn))l 期末考試期末考試: 70%2022-1-13第一講第一講 傳熱基本概念傳熱基本概念 和定律和定律 2022-1-13 (1) (1) 研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方

4、法機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法 (2) 熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差 熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o 低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?有溫差就會(huì)有傳熱有溫差就會(huì)有傳熱 溫差是熱量溫差是熱量 傳遞的推動(dòng)力傳遞的推動(dòng)力 1 概概 述述1.1 傳熱學(xué)Heat Transfer）2022-1-131.2 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系(1) 熱力學(xué)熱力學(xué) + 傳熱學(xué)傳熱學(xué) = 熱科學(xué)熱科學(xué)(Thermal Science) 系統(tǒng)從一個(gè)平衡系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過程中傳遞態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。熱量的多少。 關(guān)心的是熱

5、關(guān)心的是熱量傳遞的過量傳遞的過程，即熱量程，即熱量傳遞的速率。傳遞的速率。熱力學(xué)：熱力學(xué)： 熱傳遞過程總的熱量，以及熱傳遞過程總的熱量，以及各穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)，時(shí)間可能是無限的各穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)，時(shí)間可能是無限的傳熱學(xué)：傳熱學(xué)： 熱傳遞過程的瞬態(tài)熱傳遞過程的瞬態(tài) 或非穩(wěn)定情況或非穩(wěn)定情況tm)(),(fzyxt(2) 傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即 始始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩簜鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩簜鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，那么那么 始終是守恒的始終是守恒的水，M220oC鐵塊, M1300oC圖1-1

6、傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別2022-1-131.3 傳熱學(xué)應(yīng)用實(shí)例 自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差 傳熱很普遍傳熱很普遍b 夏天人在同樣溫度如：夏天人在同樣溫度如：25度的空氣和水中的感度的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？覺不一樣。為什么？c 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？如何解釋其道理？越厚越好？(1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子：a 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和 冬冬天都保持天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所

7、穿度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？的衣服能否一樣？為什么？2022-1-13(2) (2) 幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用a a 航空航天：航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻衛(wèi)星與空間站熱控制衛(wèi)星與空間站熱控制空間飛行器重返大氣層冷卻空間飛行器重返大氣層冷卻超高音速飛行器超高音速飛行器Ma=10Ma=10冷卻冷卻核熱火箭、電火箭核熱火箭、電火箭微型火箭電火箭、化學(xué)火箭）微型火箭電火箭、化學(xué)火箭）太陽能高空無人飛機(jī)太陽能高空無人飛機(jī)2022-1-13b 微機(jī)電系統(tǒng)

8、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS） ： 電子芯片冷卻電子芯片冷卻c 生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器 官的冷凍保存官的冷凍保存d 軍軍 事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e 制制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵熱泵；高溫水源熱泵f 新新 能能 源：太陽能；燃料電池源：太陽能；燃料電池2022-1-132022-1-13冷卻技術(shù)失效時(shí)冷卻技術(shù)失效時(shí)2022-1-13哥倫比亞航天飛機(jī)解體哥倫比亞航天飛機(jī)解體Shuttle Columbia）Feb. 1st, 2019STS-107 m

9、ission ）2022-1-13大推力液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室發(fā)汗冷卻大推力液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室發(fā)汗冷卻2022-1-13再生冷卻的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)2022-1-13電阻電火箭電阻電火箭2022-1-132022-1-13電阻電熱推進(jìn)器電阻電熱推進(jìn)器兩層結(jié)構(gòu)的、具有菱形立柱狀加熱器的新兩層結(jié)構(gòu)的、具有菱形立柱狀加熱器的新型微推進(jìn)器。噴管喉部尺寸為型微推進(jìn)器。噴管喉部尺寸為1080m2022-1-13電阻電熱推進(jìn)器電阻電熱推進(jìn)器2022-1-13微型電阻電火箭微型電阻電火箭2022-1-13u氣化腔：氣化腔：100050010m 加熱功率：加熱功率：40Wu加熱電阻：加熱電阻

10、：8204402m 加熱時(shí)間：加熱時(shí)間：10s1ms微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖2022-1-13微型化學(xué)推進(jìn)器微型化學(xué)推進(jìn)器同相催化微型化學(xué)推進(jìn)器，采用過氧化氫工同相催化微型化學(xué)推進(jìn)器，采用過氧化氫工質(zhì)，測試實(shí)驗(yàn)，脈沖沖量可控制于質(zhì)，測試實(shí)驗(yàn)，脈沖沖量可控制于0.11.6mNs2022-1-13超高音速飛行器超高音速飛行器2022-1-13高超音速領(lǐng)域的研究高超音速領(lǐng)域的研究2022-1-132022-1-13Passive Cellular Core Jet Blast Deflector2022-1-13Passive Cellular Core Jet Blast Deflector

11、Construction2022-1-13電子器件冷卻電子器件冷卻2022-1-13新材料新材料2022-1-131.4 傳熱過程的分類按溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。按溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。2022-1-131.5 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳熱現(xiàn)象圖1-2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖 燃燒室噴管推進(jìn)劑點(diǎn)火裝置擋藥板(1)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是一個(gè)典型的由固體推進(jìn)劑裝藥的一個(gè)典型的由固體推進(jìn)劑裝藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w火箭飛行動(dòng)能化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w火箭飛行動(dòng)能的過程，固體推進(jìn)劑裝藥燃燒后的過程，固體推進(jìn)劑裝藥燃燒后不斷地產(chǎn)生大量的高溫最高達(dá)

12、不斷地產(chǎn)生大量的高溫最高達(dá)3000K以上和有一定壓力幾以上和有一定壓力幾兆帕到一、二十兆帕左右的燃兆帕到一、二十兆帕左右的燃?xì)猓⑦B續(xù)排出。氣，并連續(xù)排出。 2022-1-13(2)發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳熱現(xiàn)象是多種形式的。燃?xì)獬藢崃總靼l(fā)動(dòng)機(jī)中的傳熱現(xiàn)象是多種形式的。燃?xì)獬藢崃總鹘o裝藥以維持連續(xù)燃燒外，還同時(shí)把熱量傳給燃燒室壁、給裝藥以維持連續(xù)燃燒外，還同時(shí)把熱量傳給燃燒室壁、噴管及擋藥板。這些部件在這種高溫燃?xì)獾淖饔孟?，溫度噴管及擋藥板。這些部件在這種高溫燃?xì)獾淖饔孟?，溫度將急劇上升，材料?qiáng)度將有明顯下降的趨勢。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工將急劇上升，材料強(qiáng)度將有明顯下降的趨勢。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間較長時(shí)，這種強(qiáng)度

13、下降的趨勢就更為顯著。特別是作時(shí)間較長時(shí)，這種強(qiáng)度下降的趨勢就更為顯著。特別是在噴管喉部，通道面積最小，燃?xì)饷芰髯畲螅瑏碜詿崛細(xì)庠趪姽芎聿?，通道面積最小，燃?xì)饷芰髯畲螅瑏碜詿崛細(xì)獾臒崃髅芏冗_(dá)到最大，工作條件最為惡劣。的熱流密度達(dá)到最大，工作條件最為惡劣。 (3)在設(shè)計(jì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各部件結(jié)構(gòu)時(shí)，就需要從它們在受熱狀在設(shè)計(jì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各部件結(jié)構(gòu)時(shí)，就需要從它們在受熱狀態(tài)下的實(shí)際強(qiáng)度出發(fā)，或者要考慮在各部件上分別采取熱防態(tài)下的實(shí)際強(qiáng)度出發(fā)，或者要考慮在各部件上分別采取熱防護(hù)措施。因此，也就需要了解各部件受熱后的溫度分布，需護(hù)措施。因此，也就需要了解各部件受熱后的溫度分布，需要進(jìn)行嚴(yán)格的傳熱計(jì)算。這就是傳

14、熱學(xué)要解決的問題。要進(jìn)行嚴(yán)格的傳熱計(jì)算。這就是傳熱學(xué)要解決的問題。 2022-1-13(4)由于燃?xì)庀蛑車鷤鳠?，將造成燃?xì)獾臒釗p失。這種熱損由于燃?xì)庀蛑車鷤鳠幔瑢⒃斐扇細(xì)獾臒釗p失。這種熱損失將反過來影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及壓力變化規(guī)律。失將反過來影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及壓力變化規(guī)律。長期以來，由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜性，在長期以來，由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜性，在一般的內(nèi)彈道研究中，考慮熱損失的影響，通常都采用增一般的內(nèi)彈道研究中，考慮熱損失的影響，通常都采用增加比熱比或減少火藥力的間接方法進(jìn)行修正。近年來，隨加比熱比或減少火藥力的間接方法進(jìn)行修正。近年來，隨著計(jì)算技

15、術(shù)的發(fā)展，已能夠把非定常熱傳導(dǎo)包含在內(nèi)彈道著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，已能夠把非定常熱傳導(dǎo)包含在內(nèi)彈道方程之中，從而使得理論的研究更進(jìn)一步準(zhǔn)確化。方程之中，從而使得理論的研究更進(jìn)一步準(zhǔn)確化。2022-1-132 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式2.1 導(dǎo)熱熱傳導(dǎo)）(Conduction) 熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo))、對(duì)流、對(duì)流(熱對(duì)熱對(duì)流流)和熱輻射。和熱輻射。(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子

16、等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a 必須有溫差；必須有溫差；b 物體直接接觸；物體直接接觸；c 依依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d 在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。2022-1-13(4)導(dǎo)熱的基本定律：導(dǎo)熱的基本定律： 1822年，法國數(shù)學(xué)家年，法國數(shù)學(xué)家Fourier: W ddxtA2mW ddxtAq上式稱為上式稱為Fourie

17、r定律，號(hào)稱導(dǎo)熱基本定定律，號(hào)稱導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。負(fù)號(hào)表示導(dǎo)律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。負(fù)號(hào)表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反。其中：熱方向與溫度梯度方向相反。其中： ：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量W；q：熱流密度，單：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量；位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積面積m2； ：導(dǎo)熱系數(shù)熱導(dǎo)率）：導(dǎo)熱系數(shù)熱導(dǎo)率）W/( mK)。圖圖2-1 2-1 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱1wt2wtt0 x dxdtQ2022-1-13(6) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻

18、如圖如圖2-1所示，簡化結(jié)果如圖所示，簡化結(jié)果如圖2-2所示，穩(wěn)態(tài)所示，穩(wěn)態(tài) q = const，于是積分于是積分Fourier定律有：定律有：210 dd21wwttttqtxqww(5) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。溫度關(guān)。Q1wt2wtArtttqww21RtAttww21rAR 導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻圖圖2-2 2-2 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 簡化結(jié)果簡化結(jié)果2022-1-13例題 2-1 一塊厚度=50 mm 的平板， 兩側(cè)表面分別維持在.100,30021CtCtowow試求下列條

19、件下的熱流密度。材料為銅，=375 w/(mK );材料為鋼， =36.4 w/(mK );材料為鉻磚， =2.32 w/(mK )；材料為鉻藻土磚， =0.242 w/(mK )。解：參見圖解：參見圖2-12-1和圖和圖2-22-2。 及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：2022-1-132321mW1028. 905. 010030032. 2wwttq鉻磚：鉻磚：2221mW1068. 905. 0100300242. 0wwttq硅藻土磚：硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見，討論：由計(jì)算可見， 由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，別， 導(dǎo)致在相同的條件下

20、通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土導(dǎo)致在相同的條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此，銅是熱的良導(dǎo)體，因此，銅是熱的良導(dǎo)體， 而而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。2621mW105 . 105. 0100300375wwttq銅：銅：2521mW1046. 105. 01003004 .36wwttq鋼：鋼：2022-1-13(1)定義：定義： 流體中氣體或液體溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相流體中氣體或液體溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處

21、的現(xiàn)象。2.2 對(duì)流熱對(duì)流）(Convection)(2) 對(duì)流換熱：對(duì)流換熱： 當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對(duì)當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)：流不同，具有如下特點(diǎn)： a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程 b 必須有直接接觸流體與壁面和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差必須有直接接觸流體與壁面和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差 c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層 2022-1-13(3)對(duì)流換熱的分類對(duì)流換熱的分類 無相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流無相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流 有相變：沸

22、騰換熱和凝結(jié)換熱有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱圖2-3 對(duì)流換熱中邊界層的示意圖2022-1-13W )(tthAw2mW )( fwtthAq(4) 對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)) 熱流量熱流量W，單位時(shí)間傳遞的熱量，單位時(shí)間傳遞的熱量q2mW 熱流密度熱流密度K)(mW2A2m 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積wt C 固體壁表面溫度固體壁表面溫度t 流體溫度流體溫度 Cy流動(dòng)方向自由流壁VVTTw圖2-4 平壁上的對(duì)流換熱 2022-1-13 h物理意義：當(dāng)流體與壁面溫度相差物理意義：當(dāng)流體

23、與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。)( ttAhwK)(mW2影響影響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hhrthtqRthAt 1 )(1（Convection heat transfer coefficient）(5) 對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))2022-1-13hhrthtqRthAt 1 )(1 )(1WChARh 12WCmhrh(Thermal resistance for convection)(6) 對(duì)流換熱熱阻：對(duì)流換熱熱阻： 202

24、2-1-13(1) 定義：定義： 有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象。有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象。2.3 熱輻射(Thermal radiation)(2) 特點(diǎn)：特點(diǎn)： a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空間，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；發(fā)出熱輻射； b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播； c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； d 具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性； e 輻射能與溫度和波長均有關(guān)；輻射能與溫度和波長均有關(guān)； f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。 2022-1-13(3) 生活中

25、的例子：生活中的例子： a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱； b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾時(shí)要舒服；時(shí)要舒服； c 太陽能傳遞到地面太陽能傳遞到地面 d 冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0以上，但地面卻以上，但地面卻可能結(jié)冰?？赡芙Y(jié)冰。(4) 輻射換熱：輻射換熱： 物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣(參照?qǐng)D參照?qǐng)D3-1)。 2022

26、-1-13(5) 輻射換熱的特點(diǎn)：輻射換熱的特點(diǎn)：a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量真空中就可以傳遞能量b 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能c 無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁 波能、相互波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。輻射

27、給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。2022-1-13(6) 輻射換熱的研究方法：輻射換熱的研究方法： 假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律，忽略其他因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通因素，然后，真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。過實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。(7) 黑體的定義：黑體的定義： 能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。方

28、向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。 2022-1-13(8)黑體輻射的控制方程：黑體輻射的控制方程： 斯忒藩斯忒藩-波耳茲曼波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 4TA4Tq4TA真實(shí)物體則為：真實(shí)物體則為： (9)兩黑體表面間的輻射換熱兩黑體表面間的輻射換熱 (參見圖參見圖2-5和圖和圖3-2)(4241TTA2022-1-13)(424121TTq42T1T2T圖2-5 兩黑體表面間的輻射換熱41T2022-1-13例題例題 2-2 2-2 一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道， 其保溫層外徑其保溫層外徑d=583 d=583 m mm m ，

29、外 表 面 實(shí) 測 平 均 溫 度 及 空 氣 溫 度 分 別， 外 表 面 實(shí) 測 平 均 溫 度 及 空 氣 溫 度 分 別為為 ，此時(shí)空氣與管道，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)外表面間的自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42 W h=3.42 W /(m2 K), /(m2 K), 保溫層外表面的發(fā)射率保溫層外表面的發(fā)射率CtCtfw23,489 . 0問：（問：（1） 此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2計(jì)算每米長度管道的總散熱量。計(jì)算每米長度管道的總散熱量。解：解：（1此管道的散熱有輻射換熱和自然對(duì)流換熱兩種方式。此管

30、道的散熱有輻射換熱和自然對(duì)流換熱兩種方式。（2把管道每米長度上的散熱量記為把管道每米長度上的散熱量記為2022-1-13)(,fwclttdhthdq)/( 5 .156)2348(42. 3583. 014. 3mW 近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度，近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度， 于是每米長度管道外表面于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW討論：討論： 計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果表明， 對(duì)于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題對(duì)于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題， 自然對(duì)流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。自然對(duì)流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長度上的自然對(duì)流散熱當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長度上的自然對(duì)流散熱2022-1-133 傳熱過程和傳熱系數(shù)傳熱過程和傳熱系數(shù)3.1 傳熱過程的定義3.2 傳熱過程包含的傳熱方式導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射