《高等傳熱學(xué)》詳細(xì)筆記

《高等傳熱學(xué)》詳細(xì)筆記第一章：緒論1.1傳熱學(xué)的基本概念傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。它探討了能量從一個(gè)物體或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體或系統(tǒng)的機(jī)理，對(duì)于理解自然界中的許多現(xiàn)象以及優(yōu)化工業(yè)過(guò)程至關(guān)重要。熱量：指由于溫度差而轉(zhuǎn)移的能量。溫度：衡量物體冷熱程度的物理量，通常用攝氏度（℃）、華氏度（℉）或開(kāi)爾文（K）表示。熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳遞的熱量，單位為W/m2。表1-1不同傳熱方式對(duì)比傳熱方式定義適用范圍特點(diǎn)導(dǎo)熱通過(guò)物質(zhì)內(nèi)部微粒間的相互作用實(shí)現(xiàn)固體、靜止流體需要直接接觸；速度慢對(duì)流流體流動(dòng)過(guò)程中攜帶熱量液體、氣體可以是自然或人為驅(qū)動(dòng)；速度快于導(dǎo)熱輻射通過(guò)電磁波傳播能量所有物體不需要介質(zhì)；可遠(yuǎn)距離傳遞1.2熱量傳遞的方式熱量可以通過(guò)三種主要方式傳遞：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。每種方式都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景與特點(diǎn)。傳導(dǎo)：直接接觸的物質(zhì)間由于溫度梯度引起的熱量轉(zhuǎn)移。如金屬棒加熱時(shí)，熱量由高溫端向低溫端傳遞。對(duì)流：液體或氣體因自身流動(dòng)而攜帶熱量的過(guò)程。分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩大類(lèi)。輻射：不依賴(lài)于介質(zhì)的存在，而是通過(guò)電磁波形式進(jìn)行的能量傳輸。太陽(yáng)輻射地球就是典型的例子之一。1.3傳熱學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域傳熱學(xué)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：建筑節(jié)能：通過(guò)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)來(lái)減少能源消耗。電力生產(chǎn)：提高發(fā)電效率，如核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電子設(shè)備散熱：確保高性能計(jì)算機(jī)芯片等設(shè)備正常工作?；み^(guò)程：控制化學(xué)反應(yīng)條件，保證產(chǎn)品質(zhì)量。航空航天：解決飛行器高速飛行時(shí)產(chǎn)生的極端溫度問(wèn)題。1.4學(xué)習(xí)目標(biāo)與方法學(xué)習(xí)本課程的主要目標(biāo)是掌握傳熱學(xué)基本原理，并能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。建議采用以下學(xué)習(xí)策略：理論聯(lián)系實(shí)踐：結(jié)合具體案例加深理解。積極參與討論：與其他同學(xué)交流想法，共同進(jìn)步。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：親自操作實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)。第二章：導(dǎo)熱基礎(chǔ)2.1導(dǎo)熱定律傅里葉定律描述了導(dǎo)熱過(guò)程中熱量傳遞速率與溫度梯度之間的關(guān)系。公式表達(dá)為q=?kdTdxq=?kdxdT?，其中qq代表熱流密度，kk是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，dTdxdxdT?表示沿x方向的溫度變化率。導(dǎo)熱系數(shù)（kk）反映了材料導(dǎo)熱能力的大小，單位為W/(m·K)。溫度梯度越大，即溫度變化越劇烈，則導(dǎo)熱強(qiáng)度越高。2.2單層及多層平壁內(nèi)的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，各點(diǎn)處的溫度不再隨時(shí)間變化。對(duì)于單層平壁，若已知兩側(cè)表面溫度分別為T(mén)1,T2T1?,T2?，則通過(guò)該壁面的總熱流量可以用下式計(jì)算：Q=kA(T1?T2)δQ=δkA(T1??T2?)?其中AA為傳熱面積，δδ表示壁厚。多層結(jié)構(gòu)中，假設(shè)各層之間完全接觸且無(wú)熱損失，則整個(gè)系統(tǒng)的熱阻等于各層熱阻之和?？偀崃髁咳钥赏ㄟ^(guò)上述公式求得，但需考慮整體的熱阻值。2.3圓筒壁和球殼的導(dǎo)熱分析不同于平面情況，在圓柱形或球形物體內(nèi)部發(fā)生導(dǎo)熱時(shí)，由于幾何形狀的變化，導(dǎo)致不同位置上的溫度分布呈現(xiàn)出非線性特征。圓筒壁：徑向?qū)釂?wèn)題可以簡(jiǎn)化為一維問(wèn)題處理，關(guān)鍵在于正確設(shè)置邊界條件。球殼：同樣面臨類(lèi)似的挑戰(zhàn)，但解法更為復(fù)雜，通常需要引入球坐標(biāo)系下的偏微分方程求解。2.4非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱簡(jiǎn)介非穩(wěn)態(tài)條件下，物體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度會(huì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化。這種情況下，除了考慮空間維度外，還需引入時(shí)間變量來(lái)進(jìn)行分析。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程：基于能量守恒原則建立起來(lái)的偏微分方程，用來(lái)描述溫度場(chǎng)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。初始條件與邊界條件：確定特定問(wèn)題解決方案的關(guān)鍵因素。例如，初始時(shí)刻物體的整體溫度分布，或者外界環(huán)境如何影響邊界上的溫度狀況等。第三章：非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱3.1非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題涉及到溫度隨時(shí)間變化的情況。其數(shù)學(xué)模型通常基于能量守恒定律建立，對(duì)于均質(zhì)材料而言，可以寫(xiě)成如下形式：ρcp?T?t=k?2T+Qvρcp??t?T?=k?2T+Qv?這里，ρρ是密度，cpcp?是比熱容，tt表示時(shí)間，TT是溫度，kk是導(dǎo)熱系數(shù)，?2?2是拉普拉斯算子，QvQv?代表單位體積內(nèi)的熱源項(xiàng)。擴(kuò)散項(xiàng)：k?2Tk?2T體現(xiàn)了溫度的空間分布特性。累積項(xiàng)：ρcp?T?tρcp??t?T?反映了溫度隨時(shí)間積累的過(guò)程。3.2Biot數(shù)與Fourier數(shù)為了簡(jiǎn)化非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的求解過(guò)程，引入了兩個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)：Biot數(shù)(Bi)和Fourier數(shù)(Fo)。Biot數(shù)：定義為物體表面的對(duì)流傳熱系數(shù)hh與其導(dǎo)熱系數(shù)kk乘以其特征尺寸LL之比，即Bi=hLkBi=khL?。它用于評(píng)估物體內(nèi)部與外部之間相對(duì)傳熱速率。Fourier數(shù)：表示物體內(nèi)部熱傳導(dǎo)速率與蓄熱能力之間的比率，計(jì)算公式為Fo=αtL2Fo=L2αt?，其中α=kρcpα=ρcp?k?稱(chēng)為熱擴(kuò)散率，tt是時(shí)間，LL依然是特征長(zhǎng)度。這兩個(gè)參數(shù)有助于判斷問(wèn)題是否適合采用集中參數(shù)法近似處理，還是必須采用更復(fù)雜的解析或數(shù)值方法求解。3.3集中參數(shù)法當(dāng)物體內(nèi)部的溫度差異相對(duì)于表面溫度變化來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)時(shí)，就可以采用集中參數(shù)法簡(jiǎn)化問(wèn)題。此時(shí)假設(shè)整個(gè)物體具有均勻一致的溫度，從而將三維問(wèn)題降階至零維處理。適用條件：一般要求Biot數(shù)小于0.1，意味著物體內(nèi)部熱傳導(dǎo)遠(yuǎn)快于表面與環(huán)境之間的熱量交換。簡(jiǎn)化后的能量平衡方程：mcpdTdt=hA(T∞?T)mcp?dtdT?=hA(T∞??T)，其中mm是物體質(zhì)量，T∞T∞?表示周?chē)h(huán)境溫度。3.4解析解與數(shù)值解簡(jiǎn)介面對(duì)復(fù)雜形狀或邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，有時(shí)難以獲得精確的解析解。此時(shí)，數(shù)值方法提供了一種有效的替代方案。有限差分法：通過(guò)離散化空間域，將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組來(lái)求解。有限元法：適用于更加復(fù)雜的幾何形態(tài)，能夠靈活地處理不規(guī)則邊界條件。商用軟件工具：如ANSYS、COMSOLMultiphysics等，提供了強(qiáng)大的前處理、求解及后處理功能，極大地提高了工作效率。第四章：對(duì)流傳熱基礎(chǔ)4.1對(duì)流傳熱機(jī)制對(duì)流傳熱是通過(guò)流體的運(yùn)動(dòng)將熱量從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方的過(guò)程。它結(jié)合了流體流動(dòng)和導(dǎo)熱兩種機(jī)制，通常發(fā)生在液體或氣體中。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，對(duì)流傳熱可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩大類(lèi)。自然對(duì)流：由于溫度差異導(dǎo)致密度變化，從而引發(fā)流體自行流動(dòng)的現(xiàn)象。強(qiáng)制對(duì)流：由外部力（如泵、風(fēng)扇等）推動(dòng)流體流動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)流傳熱現(xiàn)象。4.2邊界層理論當(dāng)流體流過(guò)固體表面時(shí)，在靠近壁面處形成一層薄薄的速度梯度區(qū)域，稱(chēng)為邊界層。這一區(qū)域內(nèi)，流速?gòu)牧阒饾u增加至主流速度。同樣地，對(duì)于溫差存在的情況，也會(huì)形成一個(gè)溫度邊界層。動(dòng)量邊界層：描述了流體速度隨距離壁面位置的變化情況。熱邊界層：反映了溫度隨距離壁面位置的變化規(guī)律。表4-1動(dòng)量與熱邊界層厚度比較參數(shù)定義影響因素δδ動(dòng)量邊界層厚度雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)PrδTδT?熱邊界層厚度雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr、格拉曉夫數(shù)Gr4.3對(duì)流傳熱系數(shù)**對(duì)流傳熱系數(shù)hh**是一個(gè)衡量單位時(shí)間內(nèi)單位面積上能夠傳遞多少熱量的重要參數(shù)，其單位為W/(m2·K)。它受到多種因素的影響，包括但不限于：流體類(lèi)型及其物理性質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）幾何形狀及尺寸溫度分布4.4相似原理與無(wú)量綱準(zhǔn)則為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的對(duì)流傳熱問(wèn)題，引入了一系列無(wú)量綱數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)特征。這些準(zhǔn)則幫助我們?cè)诓煌瑮l件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的比較。雷諾數(shù)(Re)：Re=ρvLμRe=μρvL?，其中ρρ為密度，vv為流速，LL為特征長(zhǎng)度，μμ為動(dòng)力粘度。普朗特?cái)?shù)(Pr)：Pr=cpμkPr=kcp?μ?，這里cpcp?表示比熱容，kk是導(dǎo)熱系數(shù)。努塞爾數(shù)(Nu)：Nu=hLkNu=khL?，用來(lái)評(píng)估對(duì)流傳熱效率。4.5實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在實(shí)際應(yīng)用中，很多情況下難以直接計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù)的具體數(shù)值，因此需要借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)公式。例如，對(duì)于管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流情況下的光滑直圓管，Dittus-Boelter方程被廣泛使用：Nu=0.023Re0.8PrnNu=0.023Re0.8Prn其中n=0.4n=0.4適用于加熱過(guò)程，n=0.3n=0.3用于冷卻過(guò)程。第五章：自然對(duì)流5.1自然對(duì)流的發(fā)生條件自然對(duì)流主要發(fā)生在存在顯著溫差且沒(méi)有外加驅(qū)動(dòng)力的情況下。當(dāng)流體內(nèi)部某部分受熱膨脹后密度減小，較輕的部分會(huì)上升，而冷重的部分則下沉，從而形成了循環(huán)流動(dòng)。布辛涅斯克近似：假設(shè)流體不可壓縮，并忽略了壓力梯度對(duì)流體流動(dòng)的影響。浮力作用：由溫度引起的密度差異導(dǎo)致的上升力。5.2格拉曉夫數(shù)的重要性**格拉曉夫數(shù)(Gr)**是描述自然對(duì)流強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，定義為：Gr=gβ(Ts?T∞)L3ν2Gr=ν2gβ(Ts??T∞?)L3?其中g(shù)g為重力加速度，ββ是體積膨脹系數(shù)，Ts,T∞Ts?,T∞?分別是壁面溫度和環(huán)境溫度，LL代表特征長(zhǎng)度，νν是運(yùn)動(dòng)粘度。臨界格拉曉夫數(shù)：標(biāo)志著自然對(duì)流開(kāi)始出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。低于此值時(shí)，傳熱主要以導(dǎo)熱形式進(jìn)行；超過(guò)該值，則自然對(duì)流占據(jù)主導(dǎo)地位。5.3不同幾何形狀下的自然對(duì)流自然對(duì)流的表現(xiàn)形式會(huì)因物體形狀的不同而有所差異。垂直平板：隨著高度增加，熱邊界層厚度逐漸增大。水平圓盤(pán)：中心區(qū)域向邊緣擴(kuò)散熱量，形成徑向流動(dòng)模式。封閉空間：如腔體內(nèi)，可能存在復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，需考慮頂部與底部之間的相互作用。5.4實(shí)際應(yīng)用案例自然對(duì)流廣泛應(yīng)用于日常生活和技術(shù)領(lǐng)域中，比如：建筑保溫：利用內(nèi)外墻之間的空氣層減少熱量損失。電子設(shè)備散熱：通過(guò)合理設(shè)計(jì)外殼形狀促進(jìn)內(nèi)部元件自然冷卻。太陽(yáng)能熱水器：依靠水箱內(nèi)外溫差實(shí)現(xiàn)熱水循環(huán)。第六章：強(qiáng)制對(duì)流6.1強(qiáng)制對(duì)流的特點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)流是由外部機(jī)械裝置（如風(fēng)機(jī)、泵等）提供動(dòng)力，使流體按照預(yù)定路徑流動(dòng)的一種傳熱方式。相比于自然對(duì)流，它可以更有效地控制流速和方向，從而提高傳熱效率。高傳熱速率：由于流速可控，可以顯著提升對(duì)流傳熱系數(shù)。適用范圍廣：不僅限于特定的溫差條件下，適用于各種工業(yè)過(guò)程。6.2流體流動(dòng)類(lèi)型的影響流體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱效果有著重要影響。一般而言，湍流狀態(tài)下比層流狀態(tài)具有更高的傳熱能力。層流：流線平行且規(guī)則排列，摩擦阻力較小但傳熱效率較低。湍流：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，雖然增加了能量損耗，但同時(shí)也促進(jìn)了熱量的快速傳遞。6.3管內(nèi)流動(dòng)與外部流動(dòng)根據(jù)流體相對(duì)于傳熱表面的位置關(guān)系，可以將強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)一步劃分為管內(nèi)流動(dòng)和外部流動(dòng)兩種基本情形。管內(nèi)流動(dòng)：流體在管道內(nèi)部流動(dòng)，典型例子包括換熱器中的流體傳輸。外部流動(dòng)：流體繞過(guò)物體表面流動(dòng)，如飛機(jī)機(jī)翼周?chē)臍饬鳌?.3.1管內(nèi)流動(dòng)對(duì)于管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流問(wèn)題，Nusselt數(shù)可以通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式估算得到，例如Petukhov-Kirillov公式：Nu=0.023Re0.8Pr0.4(1+(0.4/Pr)2/3)0.25(1+(Re/282000)5/8)0.8Nu=0.023Re0.8Pr0.4(1+(0.4/Pr)2/3)0.25(1+(Re/282000)5/8)0.86.3.2外部流動(dòng)外部流動(dòng)的分析較為復(fù)雜，特別是當(dāng)涉及到非定常流動(dòng)或者有多個(gè)障礙物存在時(shí)。此時(shí)，可能需要采用數(shù)值模擬方法來(lái)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。6.4換熱器設(shè)計(jì)初步換熱器是一種專(zhuān)門(mén)用于兩種不同溫度流體之間交換熱量的設(shè)備。設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮傳熱效率、壓降、材料成本等因素。緊湊型換熱器：通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)高效傳熱同時(shí)保持較小體積。板式換熱器：利用多片金屬板作為傳熱面，適合處理大流量場(chǎng)合。殼管式換熱器：一種常見(jiàn)的工業(yè)用換熱器類(lèi)型，適用于高溫高壓工況。第七章：凝結(jié)與沸騰傳熱7.1蒸汽凝結(jié)過(guò)程蒸汽凝結(jié)是液體從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程，它在許多工業(yè)應(yīng)用中扮演著重要角色，如發(fā)電廠中的冷凝器。根據(jù)凝結(jié)發(fā)生的表面狀態(tài)，可以分為膜狀凝結(jié)和滴狀凝結(jié)兩大類(lèi)。膜狀凝結(jié)：當(dāng)蒸汽遇到冷的固體表面時(shí)，在表面上形成一層連續(xù)的液膜。這種形式的凝結(jié)效率較低，因?yàn)楹罄m(xù)的蒸汽必須通過(guò)這層液膜才能到達(dá)冷卻表面。滴狀凝結(jié)：如果表面具有疏水性或經(jīng)過(guò)特殊處理，則蒸汽會(huì)在表面形成分散的小液滴而不是連續(xù)的液膜。這種方式能夠顯著提高換熱系數(shù)。表7-1膜狀凝結(jié)與滴狀凝結(jié)比較特征膜狀凝結(jié)滴狀凝結(jié)表面特性親水性疏水性/特殊處理?yè)Q熱效率較低高應(yīng)用實(shí)例傳統(tǒng)冷凝器高效冷凝系統(tǒng)7.2沸騰傳熱機(jī)制沸騰傳熱涉及液體在加熱過(guò)程中轉(zhuǎn)化為氣體的現(xiàn)象，通常發(fā)生在溫度達(dá)到液體飽和點(diǎn)時(shí)。根據(jù)沸騰過(guò)程中的氣泡生成方式及流體流動(dòng)狀況，可進(jìn)一步細(xì)分為池沸騰和流動(dòng)沸騰兩種主要類(lèi)型。池沸騰：發(fā)生在一個(gè)靜止的液體池內(nèi)，隨著溫度升高，底部首先開(kāi)始產(chǎn)生氣泡并逐漸上升至表面破裂。流動(dòng)沸騰：液體在管道或其他容器內(nèi)流動(dòng)的同時(shí)被加熱，氣泡形成后隨流體一起移動(dòng)，增加了復(fù)雜性但也提高了傳熱效果。7.3核態(tài)沸騰與膜態(tài)沸騰根據(jù)沸騰過(guò)程中的氣泡行為，可以將沸騰分為核態(tài)沸騰（也稱(chēng)為泡核沸騰）和膜態(tài)沸騰兩個(gè)階段。核態(tài)沸騰：初期階段，氣泡主要在加熱表面上形成，并迅速脫離表面向上浮動(dòng)。這一階段的傳熱速率較高。膜態(tài)沸騰：隨著溫度繼續(xù)升高，氣泡生成速度加快，最終形成一層穩(wěn)定的蒸汽膜覆蓋于加熱表面之上，極大地阻礙了熱量傳遞，導(dǎo)致傳熱系數(shù)急劇下降。7.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例沸騰傳熱廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：電力行業(yè)：核電站、火電站等利用沸騰過(guò)程來(lái)產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。制冷技術(shù)：家用冰箱、空調(diào)系統(tǒng)依靠蒸發(fā)器內(nèi)的沸騰現(xiàn)象吸收周?chē)h(huán)境熱量。化工生產(chǎn)：蒸餾塔中通過(guò)控制沸騰條件實(shí)現(xiàn)不同組分的分離。第八章：輻射傳熱基本原理8.1黑體輻射黑體是一種理想化的物體，它可以完全吸收所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射輻射而不反射任何光線。黑體輻射遵循普朗克定律，其輻射強(qiáng)度Eb(λ,T)Eb?(λ,T)取決于波長(zhǎng)λλ和絕對(duì)溫度TT：Eb(λ,T)=2hc2λ51e(hc/λkBT)?1Eb?(λ,T)=λ52hc2?e(hc/λkB?T)?11?其中hh為普朗克常數(shù)，cc為光速，kBkB?為玻爾茲曼常數(shù)。斯忒藩-玻爾茲曼定律：描述了黑體總輻射功率與其溫度之間的關(guān)系，公式為P=σAT4P=σAT4，這里σσ是斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，AA表示輻射面積。8.2基爾霍夫定律基爾霍夫定律指出，在同一溫度下，物體對(duì)于特定波長(zhǎng)的發(fā)射率等于其吸收率。這意味著，如果一個(gè)物體在某一波長(zhǎng)上是良好的吸收體，那么它也是該波長(zhǎng)上的良好發(fā)射體。發(fā)射率：實(shí)際物體相對(duì)于黑體在同一溫度下的輻射能力的比例，取值范圍從0到1。8.3維恩位移定律維恩位移定律表明，隨著溫度的升高，黑體輻射的最大發(fā)射峰值會(huì)向短波方向移動(dòng)。具體而言，峰值波長(zhǎng)λmaxλmax?與溫度TT之間存在如下關(guān)系：λmaxT=bλmax?T=b其中bb是維恩位移常數(shù)，約為2.897×10^-3m·K。8.4實(shí)際材料的輻射特性現(xiàn)實(shí)世界中的材料并非理想的黑體，它們的輻射性能由多種因素決定，包括材質(zhì)、表面粗糙度以及溫度等?；殷w模型：假設(shè)材料在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有相同的發(fā)射率，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程但犧牲了一定準(zhǔn)確性。選擇性輻射體：某些材料可能在特定波段表現(xiàn)出極高的發(fā)射率，而在其他波段則幾乎不發(fā)射輻射，例如太陽(yáng)電池板的設(shè)計(jì)就利用了這一點(diǎn)。第九章：輻射換熱網(wǎng)絡(luò)9.1視見(jiàn)函數(shù)視見(jiàn)函數(shù)（或稱(chēng)角系數(shù)）定義為從一個(gè)表面觀察到另一個(gè)表面的直接可見(jiàn)部分所占比例。它是解決復(fù)雜幾何條件下輻射換熱問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)之一?；ヒ仔苑▌t：若兩個(gè)表面之間的視見(jiàn)函數(shù)為F1?2F1?2?，則反向的視見(jiàn)函數(shù)F2?1F2?1?滿(mǎn)足以下關(guān)系：F1?2A1=F2?1A2F1?2?A1?=F2?1?A2?9.2輻射交換網(wǎng)絡(luò)為了分析多表面系統(tǒng)中的輻射換熱情況，通常采用網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行建模。每個(gè)表面被視為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)連接線代表兩表面間的輻射交換路徑。節(jié)點(diǎn)方程：基于能量守恒原則，對(duì)于任意給定的表面i，其凈輻射得失量等于來(lái)自其他所有表面的輻射貢獻(xiàn)之和減去自身對(duì)外界的輻射損失。9.3多表面輻射換熱問(wèn)題解決多表面輻射換熱問(wèn)題時(shí)，需要考慮每一對(duì)表面之間的相互作用。對(duì)于N個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，可以建立N個(gè)獨(dú)立的能量平衡方程。迭代求解：由于各表面間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，往往需要通過(guò)數(shù)值方法（如牛頓-拉夫森法）來(lái)進(jìn)行迭代計(jì)算直至收斂。9.4封閉系統(tǒng)的輻射換熱計(jì)算封閉系統(tǒng)指的是沒(méi)有外部輻射源介入的情況。在這種環(huán)境下，系統(tǒng)內(nèi)部所有表面之間的輻射交換保持平衡狀態(tài)。有效輻射：指一個(gè)表面接收到的所有外來(lái)輻射加上自身發(fā)出的輻射總量。表面溫度分布：通過(guò)求解上述提到的網(wǎng)絡(luò)方程組，可以得到每個(gè)表面的穩(wěn)定溫度值。第十章：復(fù)合傳熱10.1各種傳熱方式的綜合效應(yīng)在實(shí)際工程應(yīng)用中，很少有單一形式的傳熱過(guò)程。通常情況下，傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射這三種基本傳熱機(jī)制會(huì)同時(shí)作用于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，形成所謂的復(fù)合傳熱現(xiàn)象。理解這些機(jī)制如何相互影響對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。傳導(dǎo)+對(duì)流：如電子設(shè)備散熱片的設(shè)計(jì)，通過(guò)金屬（良好的導(dǎo)熱材料）將熱量從內(nèi)部傳遞到表面，再通過(guò)空氣對(duì)流散逸出去。傳導(dǎo)+輻射：太陽(yáng)能集熱器利用黑色吸收層高效地收集太陽(yáng)輻射能量，并通過(guò)金屬板傳導(dǎo)至儲(chǔ)存介質(zhì)。對(duì)流+輻射：工業(yè)加熱爐中，既有火焰或電加熱元件產(chǎn)生的直接輻射，也有由高溫氣體引起的對(duì)流傳熱。表10-1復(fù)合傳熱實(shí)例應(yīng)用場(chǎng)景主要傳熱機(jī)制輔助傳熱機(jī)制電子冷卻導(dǎo)熱對(duì)流太陽(yáng)能集熱輻射導(dǎo)熱工業(yè)加熱對(duì)流輻射10.2復(fù)合傳熱問(wèn)題求解策略解決復(fù)合傳熱問(wèn)題時(shí)，首先需要明確各部分之間的界面條件以及邊界條件。常見(jiàn)的方法包括：分段處理：將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)獨(dú)立但相互關(guān)聯(lián)的子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)主要考慮一種主導(dǎo)傳熱模式。整體建模：采用數(shù)值模擬技術(shù)（如有限元法）建立整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮所有類(lèi)型的傳熱過(guò)程。10.3工程實(shí)踐中復(fù)合傳熱的應(yīng)用復(fù)合傳熱理論廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，以下是一些典型例子：建筑節(jié)能：現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理選擇材料和結(jié)構(gòu)布局來(lái)平衡室內(nèi)外溫差帶來(lái)的多種傳熱方式。航空航天：飛行器表面涂層既要減少來(lái)自太陽(yáng)的輻射吸收，又要有效散發(fā)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。汽車(chē)制造：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)合了液體循環(huán)帶走熱量（對(duì)流）與散熱片增加散熱面積（傳導(dǎo)）。第十一章：傳質(zhì)基礎(chǔ)11.1傳質(zhì)與傳熱的關(guān)系傳質(zhì)是指物質(zhì)從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方的過(guò)程，它與傳熱有著密切聯(lián)系。兩者都是由于濃度梯度或溫度梯度驅(qū)動(dòng)下的微觀粒子運(yùn)動(dòng)結(jié)果。傳質(zhì)過(guò)程同樣可以分為擴(kuò)散、對(duì)流等類(lèi)型。費(fèi)克定律：描述了物質(zhì)擴(kuò)散速率與濃度梯度之間的關(guān)系，公式為J=?DdcdxJ=?Ddxdc?，其中JJ是擴(kuò)散通量，DD是擴(kuò)散系數(shù)，dcdxdxdc?表示沿x方向的濃度變化率。11.2擴(kuò)散過(guò)程擴(kuò)散是分子層面的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的物質(zhì)分布均勻化過(guò)程。根據(jù)擴(kuò)散發(fā)生的環(huán)境不同，可以分為氣相擴(kuò)散、液相擴(kuò)散和固相擴(kuò)散。穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，任意一點(diǎn)處的濃度不再隨時(shí)間變化。非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：隨著時(shí)間推移，濃度分布不斷發(fā)生變化的情況。11.3Fick定律Fick定律是分析擴(kuò)散現(xiàn)象的基礎(chǔ)，適用于描述各種條件下物質(zhì)傳輸?shù)男袨?。除了上述的基本形式外，還存在二維和三維空間中的擴(kuò)展表達(dá)式。二維擴(kuò)散：Jx=?D(?c?x+?c?y)Jx?=?D(?x?c?+?y?c?)三維擴(kuò)散：Jx=?D(?c?x+?c?y+?c?z)Jx?=?D(?x?c?+?y?c?+?z?c?)11.4傳質(zhì)邊界層類(lèi)似于流動(dòng)邊界層，在傳質(zhì)過(guò)程中也會(huì)形成一個(gè)特殊的區(qū)域——傳質(zhì)邊界層。這一層內(nèi)的濃度梯度顯著高于外部區(qū)域，直接影響著物質(zhì)交換效率。謝伍德數(shù)(Sh)：用來(lái)評(píng)估傳質(zhì)邊界層厚度與特征長(zhǎng)度的比例，定義為Sh=hmLDSh=Dhm?L?，其中hmhm?是傳質(zhì)系數(shù)，LL為特征尺寸，DD是擴(kuò)散系數(shù)。第十二章：相變傳質(zhì)12.1蒸發(fā)與冷凝蒸發(fā)和冷凝分別是液體轉(zhuǎn)化為氣體及反向過(guò)程。它們不僅涉及能量轉(zhuǎn)移，還伴隨著質(zhì)量的遷移。蒸發(fā)：液體表面分子獲得足夠動(dòng)能以克服周?chē)肿游Χ右莩蔀檎羝?。冷凝：?dāng)蒸汽遇到較冷物體或其自身溫度降低時(shí)，部分分子重新凝聚成液體。12.2結(jié)晶與溶解結(jié)晶是溶液中溶質(zhì)顆粒聚集形成固體晶體的過(guò)程，而溶解則是相反的操作，即將固體分散到液體中形成均一混合物。飽和溶液：在一定溫度下，溶液中溶質(zhì)含量達(dá)到最大值的狀態(tài)。過(guò)飽和溶液：超過(guò)飽和點(diǎn)的溶液，容易發(fā)生自發(fā)結(jié)晶。