傳熱學(xué)第2章課件

1、傳 熱 學(xué)第四版,楊世銘 陶文銓 編著 尹華杰 課件制作 高等教育出版社,面向21世紀(jì)課程教材,1,傳熱學(xué)第2章,第二章 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),傳熱學(xué)研究達(dá)到工程應(yīng)用的兩個(gè)基本目的 能準(zhǔn)確地計(jì)算所研究問題中傳遞的熱流量 能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)所研究系統(tǒng)中的溫度分布 本章主要研究的問題 導(dǎo)熱問題的基本方程 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解法,2,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,各類物體的導(dǎo)熱機(jī)理 氣體的導(dǎo)熱機(jī)理： 氣體的溫度越高，其分子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能越大，不同能量水平的分子相互碰撞，使熱量從高溫處傳到低溫處。即氣體分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，相互碰撞的結(jié)果,3,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,各類物體的導(dǎo)熱機(jī)理 導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱

2、機(jī)理： 導(dǎo)電固體中有相當(dāng)多的自由電子，它們?cè)诰Ц裰g像氣體分子一樣運(yùn)動(dòng)，把熱量從高溫處傳向低溫處。另外在導(dǎo)電固體中還存在著晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，通過彈性波實(shí)現(xiàn)熱量從高溫處傳向低溫處，但自由電子的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱中起著主要作用,4,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,各類物體的導(dǎo)熱機(jī)理 非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理： 非導(dǎo)電固體中幾乎沒有自由電子，在非導(dǎo)電固體中存在著晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)，產(chǎn)生彈性波而實(shí)現(xiàn)熱量從高溫處傳向低溫處,5,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,各類物體的導(dǎo)熱機(jī)理 液體的導(dǎo)熱機(jī)理 一種觀點(diǎn)認(rèn)為定性上類似于氣體，只是情況更復(fù)雜，因?yàn)橐后w分子間的距離比較

3、近，分子間的作用力對(duì)碰撞過程的影響遠(yuǎn)比氣體大。 另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為液體的導(dǎo)熱機(jī)理類似于非導(dǎo)電固體，主要靠彈性波的作用,6,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,溫度場(chǎng) 定義 各時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱。一般物體的溫度分布是坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù) 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 物體各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變動(dòng) 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變動(dòng),7,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,溫度場(chǎng) 等溫面與等溫線 溫度場(chǎng)中同一瞬間同溫度各點(diǎn)連成的面稱為等溫面；在任何一個(gè)二維截面上等溫面表現(xiàn)為等溫線 等溫線的特點(diǎn) 物體中的任一條等溫線要么形成一個(gè)封閉曲線，要么終止在物體表面上，它不會(huì)與另一條等溫線相交。等溫線的疏密可直觀地反

4、映出不同區(qū)域?qū)釤崃髅芏鹊南鄬?duì)大小,8,傳熱學(xué)第2章,9,傳熱學(xué)第2章,10,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,11,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,導(dǎo)熱基本定律 傅立葉定律 在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反,12,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,導(dǎo)熱基本定律 傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 分量表達(dá)式 空間矢量表達(dá)式,13,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)的表達(dá)式,14,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,導(dǎo)熱系數(shù) 影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素 物質(zhì)種類 溫度 多數(shù)材料

5、可用線性表達(dá)式表示 物體結(jié)構(gòu) 多孔結(jié)構(gòu)、多層間隔,15,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,導(dǎo)熱系數(shù) 材料的導(dǎo)熱性能分類 良導(dǎo)熱材料 導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱性能好 絕熱材料 導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱性能差。我國(guó)國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4742-92設(shè)備及管道保溫準(zhǔn)則規(guī)定，凡平均溫度不高于350時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12W/(mK)材料稱為保溫材料（絕熱材料,16,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律,工程導(dǎo)熱材料的一般分類 均勻、各向同性導(dǎo)熱材料 均勻、各向異性導(dǎo)熱材料 不均勻但每個(gè)區(qū)域中各向同性導(dǎo)熱材料 不均勻且各向異性導(dǎo)熱材料,17,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 根據(jù)能量守恒定律與傅立葉定

6、律，建立導(dǎo)熱物體中的溫度場(chǎng)應(yīng)當(dāng)滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系式 任意微元平行六面體的能量守恒 x、y、z微元面導(dǎo)入微元體的熱流量,18,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 任意微元平行六面體的能量守恒 X+dx、y+dy、z+dz微元面導(dǎo)入微元體的熱流量,19,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 任意微元平行六面體的能量守恒 在任一時(shí)間間隔內(nèi)微元體內(nèi)熱力學(xué)能的增量 在任一時(shí)間間隔內(nèi)微元體內(nèi)熱源的生成熱量,20,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 任意微元平行六面體的能量守恒 在任一時(shí)間間隔內(nèi)微元體的能量守恒導(dǎo)入微元體的總熱量+微元體內(nèi)熱源的生成熱=導(dǎo)出微元體的總熱量+

7、微元體內(nèi)熱力學(xué)能（即內(nèi)能）的增量 微元體的導(dǎo)熱微分方程式,21,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源時(shí),22,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、穩(wěn)態(tài)時(shí) 導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源、穩(wěn)態(tài)時(shí),23,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 圓柱坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程,24,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,導(dǎo)熱微分方程式 球坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程,25,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,定解條件 定義 使微分方程獲得適合某一特定問題的解的附加條件 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的定解條件 初始條件 初始時(shí)刻溫度分布的條件 邊界

8、條件 導(dǎo)熱物體邊界上溫度或換熱情況 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的定解條件 邊界條件,26,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,定解條件 邊界條件的分類 第一類邊界條件 規(guī)定了邊界上的溫度值 第二類邊界條件 規(guī)定了邊界上的熱流密度值 第三類邊界條件 規(guī)定了邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h及周圍流體的溫度tf,27,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,熱擴(kuò)散率（又稱導(dǎo)溫系數(shù)）的物理意義 的影響 越大，在相同溫度梯度下可以傳導(dǎo)更多的熱量 c的影響 c是單位體積的物體溫度升高1所需的熱量。 c越小，溫度升高1所需吸收的熱量越少，可以剩下更多的熱量向物體內(nèi)部傳遞，能使物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度更快地隨界面溫度升高而升高 a的影響

9、 a越大，表示物體內(nèi)部溫度扯平的能力越大；材料中溫度變化傳播的越迅速,28,傳熱學(xué)第2章,導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫,傅立葉定律及導(dǎo)熱微分方程的適用范圍 過程發(fā)生的空間尺度極小，與微觀粒子的平均自由行程相接近時(shí)，不適用（尺度效應(yīng)） 熱流密度不很高而過程的作用時(shí)間又足夠長(zhǎng)。過程作用時(shí)間極短，與材料本身的時(shí)間尺度相接近時(shí)（時(shí)間效應(yīng)），不適用。極短時(shí)間的激光脈沖加工不適用。 極低溫度（接近0K）時(shí)不適用（溫度效應(yīng),29,傳熱學(xué)第2章,復(fù)習(xí)題、習(xí)題,復(fù)習(xí)題 2、4、5,30,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過平壁的導(dǎo)熱 問題和邊界條件 問題 單層平壁，平壁的兩個(gè)表面分別維持均勻而恒定的溫度t1和

10、t2，壁厚為 邊界條件x=0 t=t1x= t=t2,31,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過平壁的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱方程,32,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過平壁的導(dǎo)熱 多層平壁的導(dǎo)熱方程 各層的面積熱阻 總熱阻及熱流密度計(jì)算式,33,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過圓筒的導(dǎo)熱 問題和邊界條件 內(nèi)外半徑分別為r1、r2的 圓筒壁，內(nèi)、外表面溫度分別維持均勻恒定的溫度t1和t2 邊界條件：r=r1 t=t1 ;r=r2 t=t2,34,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過圓筒的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱方程,35,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,

11、通過圓筒的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱方程 熱流量 導(dǎo)熱熱阻,36,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過圓筒的導(dǎo)熱 多層圓筒壁的導(dǎo)熱熱流量,37,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過球殼的導(dǎo)熱 問題和邊界條件 問題：內(nèi)、外表面維持均勻恒定溫度，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，穩(wěn)態(tài) 邊界條件：r=r1 t=t1 ;r=r2 t=t2,38,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過球殼的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱方程 溫度分布式,39,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過球殼的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱方程 熱流速率 熱流量 熱阻,40,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,通過球殼的導(dǎo)熱 多層球殼導(dǎo)熱熱流量,4

12、1,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,變截面或變導(dǎo)熱系數(shù)的一維問題 穩(wěn)態(tài)、變截面、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的一維導(dǎo)熱問題傅立葉定律,42,傳熱學(xué)第2章,典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解,變截面或變導(dǎo)熱系數(shù)的一維問題 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度線性變化時(shí)，平均導(dǎo)熱系數(shù)的取值,43,傳熱學(xué)第2章,習(xí)題,平板：2-4 圓筒體：2-18 球殼：2-26 變截面、變導(dǎo)熱系數(shù)問題：2-32,44,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,45,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋片導(dǎo)熱的特點(diǎn) 在肋片伸展的方向上有表面對(duì)流換熱及散熱，肋片中沿導(dǎo)熱熱流傳遞方向上熱流量不斷變化 分析肋片導(dǎo)熱要解決的問題 從基礎(chǔ)面伸出部分（即肋片）的溫度沿

13、導(dǎo)熱熱量傳遞方向是如何變化的 通過肋片的散熱熱流量有多少,46,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過等截面直肋的導(dǎo)熱 等截面直肋的導(dǎo)熱的計(jì)算模型 肋片與基礎(chǔ)表面相交處（肋根）的溫度為t0為已知，設(shè)t0大于周圍溫度t。該肋片與周圍環(huán)境間有熱交換，已知包括對(duì)流及輻射換熱在內(nèi)的復(fù)合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h,47,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過等截面直肋的導(dǎo)熱 簡(jiǎn)化假定 肋片在長(zhǎng)度方向很長(zhǎng)，不考慮溫度沿該方向的變化，可取單位長(zhǎng)度 材料的導(dǎo)熱系數(shù)及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h均為常數(shù)，沿肋高方向肋片橫截面面積Ac保持不變 表面上的換熱熱阻1/ h遠(yuǎn)大于肋片中的導(dǎo)熱熱阻/，因而在任一截面上肋片溫度可認(rèn)為是均勻的 肋片頂

14、端可視為絕熱，即在肋的頂端dt/dx=0,48,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過等截面直肋的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱微分方程 當(dāng)量熱源項(xiàng),49,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過等截面直肋的導(dǎo)熱 肋片中的溫度分布,50,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過等截面直肋的導(dǎo)熱 肋端溫度計(jì)算式 肋片散入外界的全部熱流量 對(duì)肋片頂端絕熱的修正,51,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過圓截面直肋的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱微分方程 當(dāng)量熱源項(xiàng),52,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過圓截面直肋的導(dǎo)熱 肋片中的溫度分布,53,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過圓截面直肋的導(dǎo)熱 肋端溫度計(jì)算式 肋片散入外界的全部熱流量 對(duì)肋片頂端絕熱的

15、修正,54,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過三角形截面直肋的導(dǎo)熱 三角形截面直肋導(dǎo)熱的計(jì)算模型穩(wěn)態(tài)、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源,55,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過三角形截面直肋的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱微分方程 x截面流入的熱量 x+dx截面流入的熱量,56,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過三角形截面直肋的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱微分方程 面的對(duì)流換熱 dx段的能量守恒,57,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過三角形截面直肋的導(dǎo)熱 導(dǎo)熱微分方程的解 邊界條件,58,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過三角形截面直肋的導(dǎo)熱 溫度分布關(guān)系式 肋片散入外界的全部熱流量,59,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過環(huán)肋的導(dǎo)熱

16、環(huán)肋導(dǎo)熱的計(jì)算模型穩(wěn)態(tài)、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源 導(dǎo)熱微分方程,60,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過環(huán)肋的導(dǎo)熱 邊界條件 溫度分布式,61,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,通過環(huán)肋的導(dǎo)熱 肋根處的熱流量,62,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋效率與肋面總效率 肋效率的物理意義 等截面直肋的肋效率,63,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋效率與肋面總效率 圓截面直肋的肋效率,64,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋效率與肋面總效率 三角形直肋的肋效率,65,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋效率與肋面總效率 環(huán)肋的肋效率,66,傳熱學(xué)第2章,整體式翅片,67,傳熱學(xué)第2章,整體式翅片,68,傳熱學(xué)第

17、2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋效率與肋面總效率 肋面總效率 實(shí)際上肋片是成組地被采用的，其熱效率為肋面總效率 設(shè)流體的溫度為tf，流體與整個(gè)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，肋片的表面積為Af，兩個(gè)肋片之間的根部面積為Ar，根部溫度為t0，所有肋片與根部面積之和為A0，即A0=Af+Ar。計(jì)算該表面的對(duì)流換熱量時(shí)，以t0-tf為溫差,69,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋效率與肋面總效率 肋面總效率 肋片總效率高于肋片效率,70,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,肋片的選用與最小重量肋片 在基礎(chǔ)表面上增加肋片是在一定的材料消耗下極大限度地增加傳熱面積的有效方法。另一方面，采用肋片后增加了通過固體的導(dǎo)熱熱阻，總傳熱

18、系數(shù)下降。 增加肋片是否有利取決于肋片的導(dǎo)熱阻力與表面對(duì)流傳熱阻力之比,71,傳熱學(xué)第2章,通過肋片的導(dǎo)熱,接觸熱阻 兩個(gè)名義上互相接觸的固體表面，實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上。在未接觸的界面之間的間隙中常常充滿了空氣，熱量將以導(dǎo)熱及輻射的方式穿過這種氣隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附加的傳遞阻力，稱為接觸熱阻,72,傳熱學(xué)第2章,復(fù)習(xí)題、習(xí)題,復(fù)習(xí)題：8、9 習(xí)題 肋片及擴(kuò)展表面：50,73,傳熱學(xué)第2章,具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題,具有內(nèi)熱源的平板導(dǎo)熱 計(jì)算模型 平壁具有均勻的內(nèi)熱源 ，其兩側(cè)同時(shí)與溫度為tf的流體發(fā)生對(duì)流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，要確定平板中任一x處的溫度及通過該截面處的熱流密度。Y軸是對(duì)稱軸,74,傳熱學(xué)第2章,具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題,具有內(nèi)熱源的平板導(dǎo)熱 問題的數(shù)學(xué)描述,75,傳熱學(xué)第2章,具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題,具有內(nèi)熱源的平板導(dǎo)熱 問題的解,76,傳熱學(xué)第2章,具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題,具有內(nèi)熱源的圓柱體導(dǎo)熱 計(jì)算模型 圓柱體具有均勻的內(nèi)熱源 ，其外表面維持在均勻恒定的溫度t1，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，要確定圓柱體中的溫度分布及最高溫度,77,傳熱學(xué)第2章,具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題,具有內(nèi)熱源的圓柱體導(dǎo)熱 圓柱坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程簡(jiǎn)化為 邊界條件,7