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(shí)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(shí)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(shí)際換熱導(dǎo)熱,對流和熱輻射是3種基本傳熱方式,在實(shí)際情況下,它們并非單獨(dú)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(jì)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(qiáng)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(kuò)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(diǎn)集總分析——重點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn))的溫度近似值來代替物體內(nèi)實(shí)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(diǎn)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(diǎn)溫度代數(shù)方程的求解問題。因此，求解域的離散化、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)差分方程的方法，重點(diǎn)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(diǎn)

絕熱邊界節(jié)點(diǎn)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(yùn)用它分析各種對流換熱問題以及強(qiáng)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(yàn)公式進(jìn)行計(jì)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(diǎn)熟知對自然對流現(xiàn)象有清晰的概念，并能比較強(qiáng)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(xiàng)（如對流項(xiàng)，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，擴(kuò)散項(xiàng)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(qiáng)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(kuò)散項(xiàng)對流項(xiàng)非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)——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(jì)，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(diǎn)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(yùn)動粘度與熱擴(kuò)散率a的相對大小。普朗特?cái)?shù)，其物理意義為流體的動量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力之比

反映流體動量擴(kuò)散的能力,值越大，流動邊界層越厚

反映物體熱量擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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?！嗨平?/p>

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?cái)?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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(kuò)散能力與熱量擴(kuò)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(qiáng)迫對流換熱管內(nèi)邊界層發(fā)展的特點(diǎn)；管內(nèi)對流換熱的進(jìn)口效應(yīng)；經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算；管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱的強(qiáng)化強(qiáng)化機(jī)理管內(nèi)對流換熱的熱阻主要是在邊界層，強(qiáng)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(qiáng)化換熱。強(qiáng)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(qiáng)化換熱將帶來阻力的增加。外掠壁面強(qiáng)迫對流換熱外掠平板

：相似解橫掠單管：流動特點(diǎn)：橫掠管束：定量計(jì)算：正確使用經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)脫體點(diǎn)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(qiáng)弱，Gr越大，浮升力的相對作用越大，自然對流越強(qiáng)。定量計(jì)算：會應(yīng)用，能選擇經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)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(yùn)動，而強(qiáng)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(yùn)動，這就決定了自然對流邊界層內(nèi)的速度分布與強(qiáng)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(qiáng)化；大容器飽和沸騰曲線；核態(tài)沸騰換熱的強(qiáng)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(diǎn)。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(qiáng)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(qiáng)調(diào)基爾霍夫定律實(shí)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(qiáng)度所遵循的空間均勻分布規(guī)律蘭貝特（Lambert）定律輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jì)算角系數(shù)：定義、性質(zhì)、計(jì)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(jì)算重輻射面遮熱板的原理輻射換熱的計(jì)算帶遮熱罩的熱電偶測溫復(fù)合換熱概念和計(jì)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(yàn)公式給出；形式：基本概念、分析判斷簡答占50%，計(jì)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