中南大學(xué)復(fù)習(xí)課_工程傳熱學(xué)

1、2020/8/23,1,工程傳熱學(xué)復(fù)習(xí)課,2020/8/23,2,第一章 緒論,熱傳導(dǎo) (heat conduction)： 定義？ 付立葉定律 導(dǎo)熱系數(shù)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 (heat convection),2020/8/23,3,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 熱輻射（heat radiation） 熱輻射定義 斯蒂芬-玻爾茲曼定律,2020/8/23,4,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,2020/8/23,5,第二章 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)

2、熱,2-1基本概念 溫度場(temperature field) ： 用文字描述 溫度不隨時(shí)間變化的溫度場，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：,2020/8/23,6,溫度梯度(temperature gradient,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),2020/8/23,7,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。,2020/8/23,8,溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響 一般地說, 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

3、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： 變化時(shí)溫度分布曲線,2020/8/23,9,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,2020/8/23,10,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。,2020/8/23,11,2-2一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 1 通過平壁的導(dǎo)熱,2020/8/23,12,2 通過圓筒壁的導(dǎo)熱,2020/8/23

4、,13,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1240mm，1=1.04W/(m)，250mm, 2=0.15W/(m)，3115mm, 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 10.24m, 1=1.04W/(m) 20.05m, 2=0.15W/(m) 30.115m, 3=0.63W/(m) t1=1000 t4=60,2020/8/23,14,硅藻土層的平均溫度為,2020/8/23,15,第三章 非穩(wěn)

5、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) = 4,2020/8/23,16,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,t0,2020/8/23,17,3-2 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,2020/8/23,18,3-3 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

6、線算圖可求解溫度及熱量，注意只適用于Fo 0.2的情況。,2020/8/23,19,例 一塊厚200mm的大鋼板，鋼材的密度為=7790kg/m3，比熱容cp=170J/(kgK)，導(dǎo)熱系數(shù)為43.2W/(mK)，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/(m2K)。試求加熱40分鐘時(shí)鋼板的中心溫度。 解：,根據(jù)題意，=100mm = 0.1m。鋼材的熱擴(kuò)散率為,2020/8/23,20,傅里葉數(shù)為,畢渥數(shù)為,查圖可得,2020/8/23,21,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

7、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,2020/8/23,22, 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,2020/8/23,23,4-3 對(duì)流換熱過程的相似理論 無量綱準(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,2020/8/23,24,4-4邊界層（Boundary layer）理論 邊界層定義 邊界層厚度（相

8、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。 簡化條件：Re足夠大、Pe足夠大 結(jié)論：忽略、方程變化、物理特征。,2020/8/23,25,例 溫度為30的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長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 , =2.76x10-2W/m.k, Pr=0.699,在離平板前沿250mm處，雷諾數(shù)為,2020/8/23,26,邊界層為層流。流動(dòng)邊

9、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),2020/8/23,27,1m寬平板與空氣的換熱量為,2020/8/23,28,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,2020/8/23,29,5-2 流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算 外掠平板（Rec=5105） 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,

10、2020/8/23,30,5-3 自然對(duì)流換熱計(jì)算 無限空間自然對(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,2020/8/23,31,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f 、 w如何選取,2020/8/23,32,例1 溫度為30的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長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

11、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 , =2.76x102W/m.k, Pr=0.699,在離平板前沿250mm處，雷諾數(shù)為,2020/8/23,33,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),2020/8/23,34,1m寬平板與空氣的換熱量為,2020/8/23,35,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，l/d較大，可以

12、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,2020/8/23,36,f=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。,2020/8/23,37,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,2020/8/23,38,6-2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)。,2020/8/23,39,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、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。,2020/8/23,40,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,2020/8/23,41,6-3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