1、傳 熱 學(xué),航空科學(xué)與工程學(xué)院 林貴平o),gplin 新主樓C座812,（Heat Transfer）,參 考 書,教材: 傳熱學(xué) 楊世銘、陶文銓編著，第四版 傳熱學(xué) 戴鍋生，第二版 Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills Heat Transfer , by J.P.Holman Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt A heat transfer textbook, John H. Lien

2、Hard, MIT 傳熱學(xué)教材。,考核方式,期末考試（筆試）：60% 實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告）：20% 小論文（分組討論、給出問題的解決方案并展示）：10% 作業(yè)與出勤：10%,將各項(xiàng)成績(jī)成績(jī)乘以相應(yīng)百分比，給出最終成績(jī)（100分）。,本章主要內(nèi)容:,傳熱學(xué)的研究對(duì)象及其應(yīng)用 三種基本的傳熱方式及基本定律 傳熱過程和傳熱系數(shù),第一章 緒 論,1.傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,傳熱學(xué)：研究由溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué),研究?jī)?nèi)容：熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、物體溫度的變化,自然界及工程領(lǐng)域中到處都存在溫差 傳熱很普遍,自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差 傳熱很普遍,(1) 日常生活中的

3、例子：,用鋁制水壺?zé)_水時(shí)，盡管爐火很旺， 但水壺安然無(wú)恙；可一旦壺內(nèi)的水燒干后， 水壺很快被燒壞。為什么？,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,2.傳熱學(xué)的應(yīng)用實(shí)例,夏天人在同樣溫度（如28度）的水和空氣中的感覺不一樣。為什么？,北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是 雙層玻璃，以利于保溫。如何 解釋其道理？越厚越好？,如何減小套管溫度計(jì)的測(cè)溫誤差？,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,(2) 特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,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),雙曲線冷卻塔結(jié)構(gòu)

4、示意圖,建筑保溫結(jié)構(gòu),1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,(3) 航空航天領(lǐng)域中的具體應(yīng)用,發(fā)動(dòng)機(jī)高溫葉片氣冷卻,超高音速飛行器（Ma=10）熱控,空調(diào)制冷原理,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,空間飛行器重返大氣層熱控,衛(wèi)星與空間站熱控制,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng),壓力 溫度 濕度 空氣品質(zhì),艙外環(huán)境情況怎樣? 艙內(nèi)情況如何建立? 工程上如何解決?,飛機(jī)防除冰系統(tǒng),3.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。,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,（1）穩(wěn)態(tài)傳熱: 溫度場(chǎng)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化,（2）非穩(wěn)態(tài)傳熱: 溫度場(chǎng)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間發(fā)生變化,1-1 傳熱

5、學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,以熱機(jī)起動(dòng)為例：平壁初始溫度為t0；左側(cè)表面溫度突升為t1并保持不變，右側(cè)表面仍與溫度為t0的空氣接觸。接下來(lái)平板將經(jīng)歷一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。,4.傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系,(1) 熱力學(xué) + 傳熱學(xué) = 熱科學(xué)(Thermal Science), 系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)的過程中傳遞熱量的多少。, 關(guān)心的是熱量傳遞的過程，即熱量傳遞的速率。,熱力學(xué)： 傳熱學(xué)：,（2） 傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)：,1-1 傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用,熱量 始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f； 如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，則 始終是守恒的。,傳熱學(xué)中的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),5.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：,連

6、續(xù)介質(zhì)假設(shè)在什么情況下成立？,物體中的溫度、密度、速度、壓力等物理參 數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)。,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Heat Conduction),熱量傳遞的三種基本方式： 導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。,(1)定義：溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(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； d 在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。,1-2 熱量傳遞

7、的三種基本方式,一維穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,20、1個(gè)大氣壓下：,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(6)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻,即：,如右圖所示，穩(wěn)態(tài) q=const， 于是積分Fourier定律有：,總熱流量：,熱阻的概念:,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,例 1,一塊厚度=50 mm 的平板， 兩側(cè)表面分別維持在,試求下列條件下的熱流密度。,材料為銅，=375 w/(mK ); 材料為鋼， =36.4 w/(mK ); 材料為鉻磚， =2.32 w/(mK )； 材料為鉻藻土磚， =0.242 w/(mK )。,解：由一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：,1-2 熱量傳遞的三種基本

8、方式,鉻磚：,硅藻土磚：,討論：由計(jì)算可見，銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同條件下通過銅板的導(dǎo)熱量比通過硅藻土磚的導(dǎo)熱量大三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，銅是熱的良導(dǎo)體，硅藻土磚則有隔熱作用。,銅：,鋼：,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(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.熱對(duì)流(Heat Convection),1-2 熱量傳遞的三種基本方式,熱對(duì)流實(shí)例：,對(duì)流層冷暖氣流的運(yùn)動(dòng),火焰從下加熱湯鍋,(2)對(duì)流傳熱：流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程。 與單純的熱對(duì)流不同，對(duì)流傳熱具有如下特點(diǎn)： a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存

9、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,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,對(duì)流傳熱實(shí)例：,管內(nèi)流動(dòng)傳熱,管外流動(dòng)傳熱,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(3)對(duì)流傳熱的基本計(jì)算公式：牛頓冷卻定律,流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。,影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等。,(4)對(duì)流傳熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)),1-2 熱量傳遞的三種基本方式,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(5)對(duì)流傳熱的分類,按流體運(yùn)動(dòng)的起因分為：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流。,干燥箱中的強(qiáng)迫對(duì)流,暖氣片中的自然對(duì)流,按有無(wú)相

10、變分為：有相變對(duì)流（沸騰、蒸發(fā)傳熱和凝結(jié)傳熱）和單相對(duì)流。,對(duì)流傳熱其他分類形式將在第五章中詳述。,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,對(duì)流傳熱系數(shù),1-2 熱量傳遞的三種基本方式,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(5)對(duì)流傳熱熱阻：,(1) 定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象。,3.熱輻射(Thermal Radiation),1-2 熱量傳遞的三種基本方式,不同的箭頭顏色代表 不同的熱輻射量,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,熱輻射實(shí)例：,當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；,鍋爐爐膛內(nèi)的火焰輻射,航天器在接近絕對(duì)零度的外太空飛行時(shí)，向宇宙空間的輻射散熱量非常大。,(5)

11、 輻射傳熱的特點(diǎn)：,a 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在 真空中就可以傳遞能量 b 在輻射傳熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能 電磁波能 物體熱力學(xué)能 c 無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相 互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物 體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱量由高溫傳到低溫。,(4) 輻射傳熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同， 就像對(duì)流和對(duì)流傳熱一樣。,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(6)輻射傳熱的研究方法：假設(shè)一種黑體，它只關(guān)心熱輻射的共性規(guī)律（忽略其他因素），將真實(shí)物體的輻射則與黑體進(jìn)行比較和修正，通過實(shí)驗(yàn)

12、獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。,黑體輻射的控制方程：Stefan-Boltzmann 定律,，,，,真實(shí)物體則為：,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(7)黑體的定義：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長(zhǎng)，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,(9)兩黑體表面間的輻射傳熱：,例 2,一根水平放置的蒸汽管道， 其保溫層外徑 d=583 mm，外表面實(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為 ，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h=3.42 W /(m2 K)， 保溫層外表面的發(fā)射率 。,問：（1） 此管道的散熱必須考慮哪

13、些熱量傳遞方式； （2）計(jì)算每米長(zhǎng)度管道的總散熱量。,量為：,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,解： （1）此管道的散熱有輻射傳熱和自然對(duì)流傳熱兩種方式。 （2）把管道每米長(zhǎng)度上的散熱量記為 。,近似地取管道的表面溫度為室內(nèi)空氣溫度， 于是每米長(zhǎng)度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射散熱量為：,討論： 計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題，自然對(duì)流散熱量與輻射散熱量具有相同的數(shù)量級(jí)，必須同時(shí)予以考慮。,當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長(zhǎng)度上的自然對(duì)流散熱量,1-2 熱量傳遞的三種基本方式,三種傳熱方式總結(jié),1-2 熱量傳遞的三種基本方式,1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù),1. 傳熱過程的

14、定義：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的傳熱。,2. 傳熱過程包含的傳熱方式：,導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射,傳熱過程實(shí)例：,1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù),傳熱過程實(shí)例：,電子芯片的散熱,一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程,右側(cè)對(duì)流傳熱熱阻,固體的導(dǎo)熱熱阻,3. 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞,1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù),傳熱系數(shù) ，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度 的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。,用含有傳熱系數(shù)的式子來(lái)表達(dá)傳熱量：,上述傳熱過程中傳遞的熱量為：,1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù),a k 越大，傳熱越好。若要增大 k，可增大,c h1、h2的計(jì)算方法及增加k值的措施是本課程的重要 內(nèi)容,注意：,b 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程以及有內(nèi)熱源時(shí)，

15、不能用熱阻分析法,1-3 傳熱過程和傳熱系數(shù),1-4 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,18世紀(jì)30年代的工業(yè)革命促進(jìn)了傳熱學(xué)的發(fā)展 導(dǎo)熱（Heat conduction） 鉆炮筒大量發(fā)熱的實(shí)驗(yàn)（B.T.Rumford,1798年） 兩塊冰摩擦生熱化為水的實(shí)驗(yàn)（H.Davy,1799年） 導(dǎo)熱熱量和溫差及壁厚的關(guān)系（J.B.Biot,1804年） Fourier 導(dǎo)熱定律 (J.B.J.Fourier,1822 年） G.F.B.Riemann/H.S.Carslaw/J.C.Jaeger/M.Jakob,不可壓縮流動(dòng)方程 （M.Navier,1823年) 流體流動(dòng)Navier-Stokes基本方程 (G.G.

16、Stokes,1845年） 雷諾數(shù)(O.Reynolds,1880年） 自然對(duì)流的理論解（L.Lorentz, 1881年） 管內(nèi)傳熱的理論解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年） 凝結(jié)傳熱理論解 （W.Nusselt, 1916年） 強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流無(wú)量綱數(shù)的原則關(guān)系 （W.Nusselt,1909年/1915年） 流體邊界層概念 （L.Prandtl, 1904年） 熱邊界層概念 （E.Pohlhausen, 1921年） 湍流計(jì)算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年）,

17、1-4 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,對(duì)流傳熱 （Convective heat transfer）,熱輻射及輻射傳熱(Thermal radiation) 黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(O.Lummer,1889年） 黑體輻射能量和溫度的關(guān)系(J.Stefan and L.Botzmann,1889年） 黑體輻射光譜能量分布的公式 維恩公式（1896年）/Rayleigh-Jeans公式 能量子假說(shuō) （M. Planck,1900年）/光量子理論（A.Einstein,1905年） 物體的發(fā)射率與吸收比的關(guān)系（G.Kirchhoff,1859年/1860年） 物體間輻射傳熱的計(jì)算方法 （波略克，1935

18、年；H.C.Hotel, 1954年；A.K.Oppenheim,1956年) 數(shù)值傳熱學(xué) （1970年）,1-4 傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,本章小結(jié)：,如果兩個(gè)物體之間存在溫差，則有熱量的傳遞；熱量傳遞的方式有三種：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射； 傳熱學(xué)的核心問題是確定一定溫差下單位時(shí)間、單位面積的傳熱量；通過分析影響傳熱量的因素，研究強(qiáng)化傳熱和隔熱的措施； 為了確定傳熱量，對(duì)于三種傳熱方式，需要解決的問題是不同的：導(dǎo)熱溫度場(chǎng)、對(duì)流對(duì)流傳熱系數(shù)、輻射傳熱發(fā)射和吸收、角系數(shù)； 在很多情況下，三種傳熱方式可能同時(shí)起作用，或某種方式起主導(dǎo)作用；一個(gè)傳熱過程由幾個(gè)傳熱環(huán)節(jié)組成，不同傳熱環(huán)節(jié)的傳熱熱阻串聯(lián)，同一傳熱環(huán)節(jié)的傳熱熱組并聯(lián)。,(1) 導(dǎo)熱 Fourier 定律： (2) 對(duì)流傳熱 Newton 冷卻公式： (3) 熱輻射 Stenfan-Boltzmann 定律： (4) 傳熱過程:,本章小結(jié)：,熱量傳遞的速率方程：,思考題