中南大學(xué)復(fù)習(xí)課-工程傳熱學(xué)課件

工程傳熱學(xué)復(fù)習(xí)課8/9/20231工程傳熱學(xué)復(fù)習(xí)課8/1/20231第一章緒論熱傳導(dǎo)(heatconduction)：定義？付立葉定律導(dǎo)熱系數(shù)λ的定義、物理意義及單位？平壁的導(dǎo)熱熱阻，表示物體對(duì)導(dǎo)熱的阻力，單位為K/W(heatconvection)8/9/20232第一章緒論熱傳導(dǎo)(heatconduction)：8/熱對(duì)流熱對(duì)流與對(duì)流換熱的定義及區(qū)別。牛頓冷卻公式：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的定義、物理意義及單位？影響h的因素?zé)彷椛洌╤eatradiation）熱輻射定義斯蒂芬-玻爾茲曼定律8/9/20233熱對(duì)流8/1/20233傳熱過程與傳熱系數(shù)傳熱過程定義傳熱系數(shù)定義傳熱過程計(jì)算8/9/20234傳熱過程與傳熱系數(shù)8/1/20234第二章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱§2-1基本概念溫度場(chǎng)(temperaturefield)：用文字描述溫度不隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)，其中的導(dǎo)熱稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：等溫面與等溫線定義特征：8/9/20235第二章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱§2-1基本概念8/1/20235溫度梯度(temperaturegradient,方向和大小)：定義：等溫面法線方向的溫度變化率傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù)8/9/20236溫度梯度(temperaturegradient,方向和大冬天，棉被經(jīng)過曬后拍打，問什么會(huì)覺得暖和？答：棉被曬后，水分蒸發(fā)，經(jīng)拍打，大量空氣進(jìn)入棉絮空間，自然對(duì)流不易展開，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，故起到很好的保溫作用。8/9/20237冬天，棉被經(jīng)過曬后8/1/20237溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響一般地說(shuō),所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)都是溫度的函數(shù),不同物質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律不同。在工業(yè)和日常生活中常見的溫度范圍內(nèi),絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以近似地認(rèn)為隨溫度線性變化,表示為：λ變化時(shí)溫度分布曲線8/9/20238溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響8/1/20238導(dǎo)熱微分方程建立基礎(chǔ)表達(dá)式：直角坐標(biāo)系下導(dǎo)熱微分方程圓柱坐標(biāo)系下一維導(dǎo)熱微分方程球坐標(biāo)系下一維導(dǎo)熱微分方程各項(xiàng)含義熱擴(kuò)散率定義、出處、物理意義，與導(dǎo)熱系數(shù)區(qū)別8/9/20239導(dǎo)熱微分方程8/1/20239導(dǎo)熱過程的單值性條件導(dǎo)熱問題的求解方法:(1)分析解法;(2)數(shù)值解法;(3)實(shí)驗(yàn)方法。8/9/202310導(dǎo)熱過程的單值性條件8/1/202310§2-2一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱1通過平壁的導(dǎo)熱λ=λ0(1+bt)b>0b<0t1

t20δx8/9/202311§2-2一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱λ=λ0(1+bt)b>0b<0t18/2通過圓筒壁的導(dǎo)熱8/9/2023122通過圓筒壁的導(dǎo)熱8/1/202312例：由三層材料組成的加熱爐爐墻。第一層為耐火磚。第二層為硅藻土絕熱層，第三層為紅磚，各層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)分別為1＝240mm，1=1.04W/(m℃)，2＝50mm,2=0.15W/(m℃)，3＝115mm,3=0.63W/(m℃)。爐墻內(nèi)側(cè)耐火磚的表面溫度為1000℃。爐墻外側(cè)紅磚的表面溫度為60℃。試計(jì)算硅藻土層的平均溫度及通過爐墻的導(dǎo)熱熱流密度。解：

已知

1＝0.24m,1=1.04W/(m℃)

2＝0.05m,2=0.15W/(m℃)

3＝0.115m,3=0.63W/(m℃)t1=1000℃t4=60℃

8/9/202313例：由三層材料組成的加熱爐爐墻。第一層為耐火磚。第二層為硅藻t2t3t4t1qt1r1t2r2t3r3t4硅藻土層的平均溫度為

8/9/202314t2t3t4t1qt1r1第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱§3-1非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：周期性和非周期性兩個(gè)階段：非正規(guī)狀況階段（初始狀況階段）、正規(guī)狀況階段(a)=1

(b)

=2

(c)

=3

(d)

=48/9/202315第三章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱§3-1非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程(a)=1邊界條件對(duì)溫度分布的影響傅里葉數(shù)、畢渥數(shù)的表達(dá)式和物理意義t0tt01/h<</2t/<<1/h2t1/h~/2t08/9/202316邊界條件對(duì)溫度分布的影響t0tt01/h<</2t§3-2集總參數(shù)法集總參數(shù)系統(tǒng)定義、特征能量守恒溫度分布時(shí)間常數(shù)定義、表達(dá)式、影響因素集總參數(shù)系統(tǒng)的判定8/9/202317§3-2集總參數(shù)法8/1/202317§3-3一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的分析解求解思路：建立導(dǎo)熱微分方程式，引進(jìn)過余溫度將非齊次方程組化為齊次方程，采用分離變量法求解溫度表達(dá)式。諾模圖（海斯勒?qǐng)D）利用線算圖可求解溫度及熱量，注意只適用于Fo≥0.2的情況。8/9/202318§3-3一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的分析解8/1/202318例一塊厚200mm的大鋼板，鋼材的密度為ρ=7790kg/m3，比熱容cp=170J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為43.2W/(m·K)，鋼板的初始溫度為20℃，放入1000℃的加熱爐中加熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=300W/(m2·K)。試求加熱40分鐘時(shí)鋼板的中心溫度。解：根據(jù)題意，δ=100mm=0.1m。鋼材的熱擴(kuò)散率為

8/9/202319例一塊厚200mm的大鋼板，鋼材的密度為ρ=7790kg/傅里葉數(shù)為畢渥數(shù)為查圖可得8/9/202320傅里葉數(shù)為畢渥數(shù)為查圖可得8/1/202320第四章對(duì)流換熱原理§4-1對(duì)流換熱概述牛頓冷卻公式,因此求解h是對(duì)流換熱計(jì)算的核心問題對(duì)流換熱微分方程式對(duì)流換熱影響因素:流速、流態(tài)、流動(dòng)起因、換熱面的幾何因素、流體物性8/9/202321第四章對(duì)流換熱原理§4-1對(duì)流換熱概述8/1/202321§4-2層流流動(dòng)換熱的微分方程組不可壓縮牛頓型流體二維對(duì)流換熱問題，常物性假定。連續(xù)性方程動(dòng)量微分方程(2個(gè))能量微分方程對(duì)流換熱微分方程求解途徑各項(xiàng)含義、能量微分方程與導(dǎo)熱微分方程聯(lián)系8/9/202322§4-2層流流動(dòng)換熱的微分方程組各項(xiàng)含義、能量微分§4-3對(duì)流換熱過程的相似理論無(wú)量綱準(zhǔn)則的表達(dá)式和物理意義Eu、Re、Pr、Pr、Nu（Bi）、Gr只有同類現(xiàn)象才有相似的可能性對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式的實(shí)驗(yàn)獲取方法8/9/202323§4-3對(duì)流換熱過程的相似理論8/1/202323§4-4邊界層（Boundarylayer）理論邊界層定義邊界層厚度（相對(duì)大小決定于Pr）：畫圖（還包括速度和溫度剖面）邊界層微分方程組基本思路：對(duì)微分方程組中的各項(xiàng)進(jìn)行數(shù)量級(jí)比較，略去高階小量。簡(jiǎn)化條件：Re足夠大、Pe足夠大結(jié)論：忽略…、方程變化、物理特征。8/9/202324§4-4邊界層（Boundarylayer）理論8/1/2例溫度為30℃的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長(zhǎng)250mm、溫度為50℃的平板，試求出平板末端流動(dòng)邊界層和熱邊界層的厚度及空氣與單位寬度平板的換熱量。解：邊界層的平均溫度都為空氣40℃的物性參數(shù)分別為v=16.96x10-6m2/s,λ=2.76x10-2W/m.k,Pr=0.699,在離平板前沿250mm處，雷諾數(shù)為

8/9/202325例溫度為30℃的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長(zhǎng)250m邊界層為層流。流動(dòng)邊界層的厚度為熱邊界層的厚度為可見，空氣的熱邊界層比流動(dòng)邊界層略厚。整個(gè)平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)8/9/202326邊界層為層流。流動(dòng)邊界層的厚度為熱邊界層的厚度為可見，空1m寬平板與空氣的換熱量為8/9/2023271m寬平板與空氣的換熱量為8/1/202327第五章對(duì)流換熱計(jì)算§5-1管(槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算基本概念：進(jìn)口段與充分發(fā)展段管內(nèi)受迫對(duì)流換熱的計(jì)算紊流與層流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式（Re=2200~104）注意：定性溫度與定型尺寸的選擇8/9/202328第五章對(duì)流換熱計(jì)算§5-1管(槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算§5-2流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算外掠平板（Rec=5×105）準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，定性溫度與定型尺寸外掠單管邊界層分離準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，定性溫度與定型尺寸外掠管束準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，定性溫度與定型尺寸8/9/202329§5-2流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算8/1/202329§5-3自然對(duì)流換熱計(jì)算無(wú)限空間自然對(duì)流換熱：例如，熱力管道表面散熱豎直平板在空氣中自然冷卻流動(dòng)和換熱特征豎板自然對(duì)流換熱的微分方程組有限空間自然對(duì)流換熱：例如，空氣夾層8/9/202330§5-3自然對(duì)流換熱計(jì)算8/1/202330對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)公式不需要記，但給出諸如Nu=f(Re,Pr)或Nu=(Gr,Pr)的經(jīng)驗(yàn)公式后，針對(duì)上面公式中的修正需要知道對(duì)什么進(jìn)行現(xiàn)象修正壁面溫度、彎曲、入口段等怎么查如μf、μw如何選取8/9/202331對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)公式不需要記，但給出諸如Nu=f(Re,Pr)或例1溫度為30℃的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長(zhǎng)250mm、溫度為50℃的平板，試求出平板末端流動(dòng)邊界層和熱邊界層的厚度及空氣與單位寬度平板的換熱量。解：邊界層的平均溫度都為空氣40℃的物性參數(shù)分別為v=16.96x10-6m2/s,λ=2.76x102W/m.k,Pr=0.699,在離平板前沿250mm處，雷諾數(shù)為

8/9/202332例1溫度為30℃的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長(zhǎng)250邊界層為層流。流動(dòng)邊界層的厚度為熱邊界層的厚度為可見，空氣的熱邊界層比流動(dòng)邊界層略厚。整個(gè)平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)8/9/202333邊界層為層流。流動(dòng)邊界層的厚度為熱邊界層的厚度為可見，空1m寬平板與空氣的換熱量為8/9/2023341m寬平板與空氣的換熱量為8/1/202334例2在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過內(nèi)徑為10mm、長(zhǎng)度為3m的銅管，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和65℃，試計(jì)算管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：由于管子細(xì)長(zhǎng)，l/d較大，可以忽略進(jìn)口段的影響。冷卻水的平均溫度為從附錄中水的物性表中可查得8/9/202335例2在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過內(nèi)徑為10mmλf=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31管內(nèi)雷諾數(shù)為管內(nèi)流動(dòng)為旺盛紊流。8/9/202336λf=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/第六章輻射換熱原理

§6-1熱輻射的基本概念熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)本質(zhì)：電磁波特點(diǎn)：吸收,反射和透射吸收率，反射率及透射率的定義透明體，白體及黑體的定義8/9/202337第六章輻射換熱原理§6-1熱輻射的基本概念8/1/20§6-2黑體輻射和吸收的基本性質(zhì)輻射力E；定義單色輻射力定向輻射力立體角輻射強(qiáng)度注意：輻射力是以發(fā)射物體的單位面積作為計(jì)算依據(jù)，而輻射強(qiáng)度是以垂直于發(fā)射方向的單位投影面積作為計(jì)算依據(jù)。8/9/202338§6-2黑體輻射和吸收的基本性質(zhì)8/1/202338黑體輻射的基本定律普朗克定律給出黑體單色輻射力和波長(zhǎng)、熱力學(xué)溫度之間的函數(shù)關(guān)系維恩位移定律內(nèi)容：思考：加熱金屬時(shí)，試用維恩位移定律分析金屬顏色隨溫度的變化。8/9/202339黑體輻射的基本定律8/1/202339斯蒂芬-玻爾茲曼定律蘭貝特余弦定律注意：漫輻射表面遵守蘭貝特余弦定律波段輻射與輻射函數(shù)黑體的吸收特性8/9/202340斯蒂芬-玻爾茲曼定律8/1/202340§6-3實(shí)際物體的輻射和吸收實(shí)際物體的輻射——黑度（發(fā)射率）定義、影響因素實(shí)際物體的吸收——灰體吸收比定義、影響因素實(shí)際物體表面對(duì)波長(zhǎng)（光譜）的選擇