傳熱學(xué)復(fù)習(xí)課

傳熱學(xué)總復(fù)習(xí)緒論要求：深刻理解傳熱的三種基本方式導(dǎo)熱熱對流/對流換熱熱輻射靈活地應(yīng)用基本理論分析實際的傳熱現(xiàn)象熟練掌握傳熱過程的概念：傳熱系數(shù)，熱阻緒論----傳熱學(xué)應(yīng)用實例日常生活中的例子：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、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？

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？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？實際換熱導(dǎo)熱,對流和熱輻射是3種基本傳熱方式,在實際情況下,它們并非單獨出現(xiàn),而是多種方式并存。在分析傳熱問題時首先就應(yīng)該弄清楚有那些傳熱方式在起作用，然后再按照每一種傳熱方式的規(guī)律進(jìn)行計算。

課堂練習(xí)緒論——傳熱過程分析冬天室內(nèi)熱水供暖暖氣片的散熱過程分析：包括哪些環(huán)節(jié)？緒論——傳熱過程分析有人將一碗稀飯放在冷水盆中冷卻，為加速冷卻，應(yīng)該攪拌碗中的稀飯還是盆中的水？————03年清華研考題結(jié)合以后的內(nèi)容及第9章內(nèi)容，進(jìn)一步掌握強化換熱的原則穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題要求掌握傅立葉導(dǎo)熱定律等基本定律和概念掌握導(dǎo)熱微分方程及其定解條件建立微分方程的方法：能量守恒掌握幾種典型的幾何形狀物體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱解平壁圓柱變導(dǎo)熱系數(shù)的處理方法肋的導(dǎo)熱問題建立方程的方法其他可當(dāng)作肋來分析的物體（熱點偶套管，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題要求熱阻概念：平壁、圓柱的熱阻運用基本概念靈活分析各種熱現(xiàn)象穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題本章的核心，希望大家能夠?qū)W會一種思想和方法：守恒。導(dǎo)熱問題以及任何其他問題（包括流體力學(xué)問題）的數(shù)學(xué)描述都基于“守恒”這一基本物理原理來建立要靈活應(yīng)用“守恒”，特別是能量守恒建立不同的傳熱過程的數(shù)學(xué)方程導(dǎo)熱問題—練習(xí)導(dǎo)熱微分方程的建立基于什么基本原理？導(dǎo)熱問題—練習(xí)各向同性物體二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，物體中任一點可否具有兩個溫度梯度？導(dǎo)熱問題—練習(xí)熱電廠冷卻用水、鍋爐給水要經(jīng)過軟化處理的原因？兩根直徑不同的蒸汽管道，外表面敷設(shè)厚度相同，材料相同的保溫材料。如果管子外表面和絕熱層外表面的溫度相同，其每米長的熱損失是否相同？課堂練習(xí)兩個幾何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的對流換熱條件下，沿肋高方向溫度分布如圖所示。t0t∞tx012請判斷1、2哪種材料的導(dǎo)熱系數(shù)大和那個肋的效率高？1的導(dǎo)熱系數(shù)大，效率高非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題基本概念熱擴散率物理意義，Bi,Fo數(shù)定義和意義，一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的3種情況的特點集總分析——重點物理概念和本質(zhì)適用條件時間常數(shù)概念、定義建立方程的方法（能量守恒）非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題要求對集總分析務(wù)必要掌握,并能靈活地運用,既會求時間,也能由給定時間來倒求尺寸(直徑,厚度等).對一般性的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，至少要能夠建立其微分方程和初始、邊界條件非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題

幾點說明導(dǎo)熱物體外的換熱條件可能是對流換熱,也可能是輻射換熱,還有可能是對流和輻射的耦合.當(dāng)外部換熱條件為輻射換熱或復(fù)合換熱時,大家應(yīng)該熟練掌握如何根據(jù)能量守恒原理建立導(dǎo)熱微分方程.由Bi數(shù)的定義,若表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h或特征尺度(如直徑)未知時,事先無法知道Bi數(shù)的大小.因而可以事先假設(shè)集總參數(shù)法的條件成立,待求出h或d后,進(jìn)行校核.課堂練習(xí)教材P93:習(xí)題3-21比較思考題某廠生產(chǎn)的測溫元件的說明書中說,該元件的時間常數(shù)為1s,從傳熱學(xué)的角度,你認(rèn)為此值可信嗎?與使用環(huán)境的換熱過程有關(guān)導(dǎo)熱問題的數(shù)值解——基本思想

用導(dǎo)熱問題所涉及的空間和時間區(qū)域內(nèi)有限個離散點(稱為節(jié)點)的溫度近似值來代替物體內(nèi)實際連續(xù)的溫度分布，將連續(xù)溫度分布函數(shù)的求解問題轉(zhuǎn)化為各節(jié)點溫度值的求解問題，將導(dǎo)熱微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為節(jié)點溫度代數(shù)方程的求解問題。因此，求解域的離散化、節(jié)點溫度代數(shù)方程組的建立與求解是數(shù)值解法的主要內(nèi)容。導(dǎo)熱問題的數(shù)值解要求建立節(jié)點差分方程的方法，重點掌握控制容積熱平衡法；非穩(wěn)態(tài)問題的數(shù)值解時間步長和空間步長的選擇——穩(wěn)定性條件顯式和隱式格式的概念向前、向后、中心差分格式離散代數(shù)方程組的迭代解法的發(fā)散問題以上基本概念要很清晰，能夠?qū)懗鏊o方程的差分方程課堂練習(xí)

第三類邊界條件下的外拐角邊界節(jié)點

絕熱邊界節(jié)點對流換熱要求熟練掌握本章的基本概念深刻理解邊界層理論，并靈活運用它分析各種對流換熱問題以及強化對流換熱的指導(dǎo)思想知道對流換熱方程組的推導(dǎo)方法和理論依據(jù)了解邊界層積分方程及其結(jié)果熟練掌握相似理論熟練應(yīng)用對流換熱經(jīng)驗公式進(jìn)行計算（無需死記公式，但要理解它的含義和用法）對流換熱要求對管內(nèi)、外流動的特點熟知對自然對流現(xiàn)象有清晰的概念，并能比較強迫對流和自然對流邊界層、傳熱特性的比較掌握本章的幾個重要的準(zhǔn)則數(shù)的定義、物理意義對流換熱——概述對流換熱的核心問題是對流換熱系數(shù)要了解影響對流換熱（系數(shù)）的因素知道對流換熱微分方程對對流換熱微分方程組要熟知，知道它們建立的方法和思路，對其中各項（如對流項，非穩(wěn)態(tài)項，擴散項等要知道為什么這么叫，不必死記公式的表達(dá)形式）對流換熱的單值性條件（第一、二類，無第三類）對流換熱的影響因素

對流換熱是流體的導(dǎo)熱和對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果。

影響因素：

1)流動的起因：強迫對流換熱與自然對流換熱

2)流動的狀態(tài)：層流和紊流

3)流體有無相變4)流體的物理性質(zhì)5)換熱表面的幾何因素對流換熱的數(shù)學(xué)描述

1)對流換熱微分方程取邊長為x,y,z=1的微元體為研究對象當(dāng)粘性流體在壁面上流動時，由于粘性的作用，流體的流速在靠近壁面處隨離壁面的距離的縮短而逐漸降低；在貼壁處被滯止，處于無滑移狀態(tài)（即：y=0,u=0）在這極薄的貼壁流體層中，熱量只能以導(dǎo)熱方式傳遞流體溫度

流體的熱導(dǎo)率

1)對流換熱微分方程再按照牛頓冷卻公式

對流換熱過程微分方程式固體表面的溫度,也是壁面處流體的溫度要想求得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，首先必須求出流體的溫度場

溫度場取決于流場連續(xù)性方程、動量方程、能量方程能量微分方程微元體的能量守恒

xx+dx能量微分方程擴散項對流項非穩(wěn)態(tài)項——能量微分方程

第一類邊界條件

第二類邊界條件

流動邊界層有關(guān)概念邊界層的厚度：通常規(guī)定速度達(dá)到0.99u∞處的y值作為邊界層的厚度，

臨界距離：邊界層從層流開始向紊流過渡的距離xc

熱邊界層規(guī)定流體過余溫度

處到壁面的距離為熱邊界層的厚度

熱邊界層就是溫度梯度存在的流體層，因此也是發(fā)生熱量傳遞的主要區(qū)域，其溫度場由能量微分方程來描寫。熱邊界層之外，溫度梯度忽略不計，流體溫度為主流溫度t∞流動邊界層和熱邊界層的關(guān)系流體的溫度場與速度場密切相關(guān)。

速度、溫度梯度平緩，導(dǎo)熱為主，

核心區(qū)，速度、溫度梯度較小，對流為主，

速度、溫度梯度較大，導(dǎo)熱為主，熱阻大邊界層內(nèi)的傳熱特點兩種邊界層厚度兩種邊界層厚度的相對大小取決于流體運動粘度與熱擴散率a的相對大小。普朗特數(shù)，其物理意義為流體的動量擴散能力與熱量擴散能力之比

反映流體動量擴散的能力,值越大，流動邊界層越厚

反映物體熱量擴散的能力,a值越大，熱邊界層越厚

氣體的Pr在0.6~0.8范圍

小結(jié)：邊界層特征

邊界層的厚度與壁面特征長度l相比是很小的量；流場劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū)。流動邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度，是發(fā)生動量擴散（即粘性力作用）的主要區(qū)域。在流動邊界層之外的主流區(qū)，流體可近似為理想流體；熱邊界層內(nèi)存在較大的溫度梯度，是發(fā)生熱量擴散的主要區(qū)域，熱邊界層之外的溫度梯度可以忽略；邊界層分為層流邊界層和紊流邊界層。紊流邊界層分為層流底層、緩沖層與紊流核心三層結(jié)構(gòu)。層流底層內(nèi)的速度梯度和溫度梯度遠(yuǎn)大于紊流核心；在層流邊界層與層流底層內(nèi)，垂直于壁面方向上的熱量傳遞主要靠導(dǎo)熱。紊流邊界層的主要熱阻在層流底層。邊界層方程的簡化根據(jù)數(shù)量級的分析，略去小量，進(jìn)行簡化要求熟知層流邊界層的微分方程組，平板層流邊界層換熱的相似解外掠平板層流換熱分析結(jié)果

對于常物性、無內(nèi)熱源、不可壓縮牛頓流體平行外掠等壁溫平板層流換熱，布拉修斯（H.Blasius

）、波爾豪森（E.Pohlhausen

）等人在二十世紀(jì)初用無量綱坐標(biāo)、無量綱流函數(shù)及無量綱溫度將動量微分方程式和能量微分方程式由偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，進(jìn)行了求解。——相似解

Pr≥0.6的流體

Nusselt

數(shù)特征數(shù)方程，關(guān)聯(lián)式，準(zhǔn)則式相似原理知道相似的概念，能判斷同類物理現(xiàn)象能夠進(jìn)行相似分析

相似分析A、B兩個對流換熱現(xiàn)象相似，雷諾數(shù)和普朗特數(shù)相等。

彼此相似的物理現(xiàn)象，同名的相似特征數(shù)相等。

所有相似的物理現(xiàn)象的解必定用同一個特征數(shù)關(guān)聯(lián)式來描寫，這意味著，從一個物理現(xiàn)象所獲得的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式適用于與其相似的所有物理現(xiàn)象。

——實驗研究可應(yīng)用的依據(jù)課堂練習(xí)教材P104:習(xí)題5-25特征數(shù)的物理意義小結(jié)

表征流體在壁面處法線方向上的平均無量綱溫度梯度，其大小反映對流換熱的強弱。表征流體慣性力與粘性力的相對大小，Re越大，慣性力的影響越大。是流體的物性特征數(shù)，表征流體動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小。第三類邊界條件給定待定參數(shù)

固體材料的熱導(dǎo)率流體的熱導(dǎo)率

反映固體導(dǎo)熱溫度場幾何特征的尺度

反映對流換熱固體邊界幾何特征的尺度管內(nèi)強迫對流換熱管內(nèi)邊界層發(fā)展的特點；管內(nèi)對流換熱的進(jìn)口效應(yīng)；經(jīng)驗公式的計算；管內(nèi)強迫對流換熱的強化強化機理管內(nèi)對流換熱的熱阻主要是在邊界層，強化換熱的突破口就在于減薄或破壞邊界層；同時改變流體的物性也有助于強化換熱。強化手段增加流速，，采用內(nèi)肋管（縱向肋，離散肋，三維微肋），內(nèi)螺紋管，內(nèi)紐帶等。短管，小直徑管，增加壁面粗糙度等。強化換熱將帶來阻力的增加。外掠壁面強迫對流換熱外掠平板

：相似解橫掠單管：流動特點：橫掠管束：定量計算：正確使用經(jīng)驗公式流體橫掠單管時的流動狀態(tài)分析

流體流過圓柱體時，邊界層之外的流體可看作理想流體，根據(jù)理想流體的伯努利方程沿流動方向微分

流速增加，壓力降低壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?/p>

流速降低，壓力增加，流體克服壓力的增加向前流動

邊界層底層流速底，不足以克服壓力時就反流脫體點脫體點的位置取決于Re的大小

自然對流換熱產(chǎn)生原因：溫差有溫差不一定發(fā)生自然對流：會判斷自然對流分類：大空間/有限空間數(shù)學(xué)描述：浮升力不可忽略Gr數(shù)自然對流的判斷準(zhǔn)則數(shù)表征浮升力與粘性力相對大小，反映自然對流的強弱，Gr越大，浮升力的相對作用越大，自然對流越強。定量計算：會應(yīng)用，能選擇經(jīng)驗公式的常數(shù)大空間內(nèi)沿垂直壁面的自然對流換熱的邊界層速度分布與沿垂直壁面的強迫對流換熱有何區(qū)別？自然對流邊界層內(nèi)的流體是在浮升力與粘性力的共同作用下運動，而強迫對流邊界層內(nèi)的流體是在慣性力與粘性力的共同作用下運動，這就決定了自然對流邊界層內(nèi)的速度分布與強迫對流不同，自然對流的最大速度位于邊界層內(nèi)部，并隨Pr數(shù)的增大位置向壁面移動。

凝結(jié)換熱與沸騰換熱有關(guān)基本概念；膜狀凝結(jié)換熱的影響因素：不凝結(jié)氣體膜狀凝結(jié)換熱的強化；大容器飽和沸騰曲線；核態(tài)沸騰換熱的強化；影響沸騰換熱的因素；課堂練習(xí)教材P229：習(xí)題6-4當(dāng)把一杯水倒在一塊赤熱的鐵板上時，板面立即會產(chǎn)生許多跳動著的小水滴，而且可以維持相當(dāng)一段時間而不被汽化掉。請解釋之，并從沸騰換熱曲線上找出開始形成這一狀態(tài)的點。課堂練習(xí)教材P232，習(xí)題6-21

初溫800℃的合金鋼元在98℃水中淬火的冷卻曲線如圖，請分析各過程。鋼元溫度℃20040060080010000時間/s61218243036ABC膜態(tài)沸騰核態(tài)沸騰熱輻射基本定律基本概念：輻射強度/輻射力；灰/黑體等黑體輻射的基本定律黑體輻射函數(shù)及其應(yīng)用：特別強調(diào)基爾霍夫定律實際物體的吸收/發(fā)射特性：選擇性概念黑體輻射的基本定律

1.普朗克定律

:

從理論上確定了黑體輻射的光譜分布規(guī)律

2.斯忒藩—玻耳茲曼定律

確定了黑體的輻射力Eb與熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系3.蘭貝特定律

確定了黑體輻射強度所遵循的空間均勻分布規(guī)律蘭貝特（Lambert）定律輻射強度在空間各個方向上都相等的物體也叫作漫發(fā)射體

定向輻射力與輻射強度的關(guān)系

表面法線方向的定向輻射力

蘭貝特定律

也叫余弦定律

對于漫發(fā)射體練習(xí)教材P260：思考題5基本概念輻射強度：單位投影面積所發(fā)出的包含在單位立體角內(nèi)的輻射能輻射力：在單位時間內(nèi)，每單位面積的物體表面向半球空間發(fā)射的全部波長的輻射能總和輻射換熱的計算角系數(shù)：定義、性質(zhì)、計算（代數(shù)法）黑體表面之間的輻射換熱直接輻射換熱和凈輻射換熱的區(qū)別輻射熱阻的概念封閉空腔的網(wǎng)絡(luò)圖漫灰表面之間的輻射換熱有效輻射封閉空腔的網(wǎng)絡(luò)圖定量計算重輻射面遮熱板的原理輻射換熱的計算帶遮熱罩的熱電偶測溫復(fù)合換熱概念和計算氣體輻射：三原子氣體的選擇性發(fā)射/吸收期末考試閉卷：需要的經(jīng)驗公式給出；形式：基本概念、分析判斷簡答占50%，計算占50%；成績：考試80%+作業(yè)15%+平時5%；典型例題某加熱爐的爐門由兩層材料組成，內(nèi)層材料的導(dǎo)熱系數(shù)為1=0.24W/(m.K)，外層厚2=5mm，導(dǎo)熱系數(shù)2=0.12W/(m.K)。爐內(nèi)溫度為tf1=800℃

，爐內(nèi)介質(zhì)與內(nèi)層壁面的對流換熱系數(shù)為hc=18W/(m2.K)，輻射換熱系數(shù)為hr=220W/(m2.K)。爐外空氣溫度為tf2=30℃

，總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=16W/(m2.K)。求：（1）穩(wěn)態(tài)時如爐門外壁溫度不能超過60℃，內(nèi)層材料的厚度1至少為多少？（2）如外層材料