熱量傳輸概述

熱量傳輸概述第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日內(nèi)容提要第一章熱量傳輸概述第二章導(dǎo)熱基本定律和導(dǎo)熱微分方程第三章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析第四章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析第五章對(duì)流換熱第六章輻射換熱第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第一章熱量傳輸概述第一章熱量傳輸概述第二章導(dǎo)熱基本定律和導(dǎo)熱微分方程第三章穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析第四章非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析第五章對(duì)流換熱第六章輻射換熱

第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一、研究對(duì)象和任務(wù)

(1)研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法(2)熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩从袦夭罹蜁?huì)有傳熱溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(3)日常生活中的例子：a.為什么用手觸摸鐵比觸摸木頭感覺涼？

主要原因是鐵的導(dǎo)熱系數(shù)比木頭的導(dǎo)熱系數(shù)大，在300K溫度下，純鐵的導(dǎo)熱系數(shù)是80.2W/m?K，木頭（硬木）約為0.16W/m?K。b.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？c.下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日d.幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用※航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng)能高空無人飛機(jī)第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日※微電子：電子芯片冷卻※生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存※軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存※制冷：汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵※新能源：太陽(yáng)能；燃料電池（4）傳熱過程的分類按溫度與時(shí)間的依變關(guān)系，可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、熱量傳輸?shù)幕痉绞綗崃總鬟f的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))對(duì)流(熱對(duì)流)熱輻射第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)

a必須有溫差；

b物體直接接觸；

c依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量。第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)(1)定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。(2)對(duì)流換熱特點(diǎn)：當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，它與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)：

a導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程

b必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差

c壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層

第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（3）對(duì)流換熱的分類

無相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱對(duì)流換熱中邊界層的示意圖第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.熱輻射(Thermalradiation)(1)定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象(2)特點(diǎn)：

a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；

b可以在真空中傳播；

c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變：熱電磁波熱；第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(3)生活中的例子：

a當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；

b冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒有窗簾時(shí)要舒服；

c太陽(yáng)能傳遞到地面；

d冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0℃以上，但地面卻可能結(jié)冰。d具有強(qiáng)烈的方向性；

e輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。

第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、溫度場(chǎng)（Temperaturefield）1.溫度場(chǎng)：物體中溫度隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律。xxxyyzzM(r,θ,φ)M(r,φ,z)M(x,y,z)ryφφθrz第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)（1）穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：傳熱體系中物體各點(diǎn)溫度雖然不同，但各點(diǎn)溫度不隨傳熱過程進(jìn)行而變化，只是坐標(biāo)的函數(shù)（即只與空間位置有關(guān)而與時(shí)間無關(guān)）。

穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)沒有產(chǎn)生熱量的蓄存或釋放，而只起著傳熱介質(zhì)的作用。動(dòng)量傳輸中的不可壓縮。第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)有產(chǎn)生熱量的蓄存或釋放。動(dòng)量傳輸中的可壓縮。第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.溫度場(chǎng)在空間的分布一維溫度場(chǎng)：在空間兩個(gè)方向保持恒定，在一個(gè)方向有變化。非穩(wěn)態(tài)二維溫度場(chǎng)：在空間一個(gè)方向保持恒定，在兩個(gè)方向有變化。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三維溫度場(chǎng)：在空間三個(gè)方向都有變化。非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)物理意義上看，穩(wěn)態(tài)傳熱可理解為傳熱物體本身在傳熱過程中沒有產(chǎn)生熱量的蓄存或釋放，而只起著傳熱介質(zhì)的作用，故溫度不隨時(shí)間改變，相反，在不穩(wěn)定傳熱過程中，物體本身產(chǎn)生了能量的積蓄和釋放，故溫度也隨傳熱過程進(jìn)行而改變。第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4.等溫面與等溫線等溫面：同一時(shí)刻、溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)連接起來所構(gòu)成的面。等溫線：用一個(gè)平面與各等溫面相交，在這個(gè)平面上得到一個(gè)等溫線簇。第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(1)溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交。等溫面與等溫線的特點(diǎn)：(2)在連續(xù)的溫度場(chǎng)中，等溫面或等溫線不會(huì)中斷，它們或者是物體中完全封閉的曲面（曲線），或者就終止于物體的邊界上。物體的溫度場(chǎng)通常用等溫面或等溫線表示。(3)等溫面（線）上無熱流。第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、溫度梯度(Temperaturegradient）沿等溫面法線方向上的溫度增量與法向距離比值的極限，gradt第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日溫度場(chǎng)中溫度隨空間坐標(biāo)的變化率：線性：非線性：等溫面（線）法向：〔注意〕：溫度為標(biāo)量，溫度梯度為矢量，正向朝著溫度增加的方向。在直角坐標(biāo)系中，溫度梯度可表示為：第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日五、熱流密度、熱流量1.熱流量Q――單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積F的熱。（W）2.熱流密度q――是指單位時(shí)間通過單位面積的熱量（熱通量）熱流密度矢量：等溫面上某點(diǎn)，以通過該點(diǎn)處最大熱流密度的方向?yàn)榉较?、?shù)值上正好等于沿該方向的熱流密度：第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期日直角坐標(biāo)系中：最大熱流密度：法向的熱流密度熱流方向：最大熱流密度的方向熱流線：最大熱流方向的跡線等溫線（實(shí)線）與熱流線（虛線）第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月