1、傳熱學(xué),緒論 (Introduction) 導(dǎo)熱 （Heat Conduction） 對流傳熱（Convection heat transfer） 熱輻射（Thermal radiation） 綜合傳熱 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱（Transient Conduction） 導(dǎo)熱問題數(shù)值解法（Numerical simulation method),Heat Transfer,2-1-1 傳熱學(xué)概述 2-2-2 熱量傳遞的基本方式 2-2-3 傳熱過程與熱阻,傳熱學(xué),2-1 緒 論,一、什么是傳熱學(xué) 研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。 熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法 熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差 熱力學(xué)第二定律：熱

2、量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?。有溫差就?huì)有傳熱 （The Second Law of Thermodynamics）,傳熱學(xué),2-1-1 傳熱學(xué)概述,二、傳熱學(xué)的重要性,自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差傳熱很普遍,人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？,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？,日常生活中的例子,傳熱學(xué),2-1-1 傳熱學(xué)概述,在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題 動(dòng)力、化工、制冷、建筑、環(huán)境、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)

3、與生物技術(shù),一支蠟燭為什么永遠(yuǎn)不能燒開一壺水？,熱量傳遞基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）heat conduction,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。 物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,不發(fā)生宏觀的相對位移,1.定義和特征,導(dǎo)熱的特點(diǎn),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,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,2.導(dǎo)熱機(jī)理 氣體：氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。 導(dǎo)電固體：自

4、由電子運(yùn)動(dòng)。 非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。 液體：很復(fù)雜。,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,二、熱對流(convection)與對流換熱,Heated air rises, cools, then falls. Air near heater isreplaced by cooler air, andthe cycle repeats.,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,1. 定義與特征 定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象熱對流。,流體中有溫差 熱對流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)，自然界不存在單一的熱對流,對流換熱：流體

5、與溫度不同的固體壁間接觸時(shí)的熱量交換過程 Convection heat transfer,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,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,2. 對流換熱的特點(diǎn),對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式,導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,3.分類,對流換熱按照不同的原因可分為多種類型,是否相變，分為：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱,流動(dòng)原因，分為：強(qiáng)迫對流換熱和自然對流換熱。,流動(dòng)狀態(tài)，分為：層流和紊流。,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,三、熱輻射（Thermal radi

6、ation） 1.定義 物體通過電磁波來傳遞熱量的方式。,物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種 類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同,輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞 Radiation heat transfer,傳熱學(xué),2-1-2 熱量傳遞的基本方式,2.輻射換熱的特點(diǎn),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,無論溫度高低，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)果是熱由高溫傳到低溫,傳熱學(xué),2-1-3 傳熱過程,1.傳熱過程：熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程。,傳熱過程

7、通常由導(dǎo)熱、熱對流、熱輻射組合形成,傳熱學(xué),2-1-3 傳熱過程,在數(shù)值上，傳熱系數(shù)等于冷、熱流體間溫差=1 oC、傳熱面積A1 m2時(shí)的熱流量值，是一個(gè)表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的物理量。傳熱過程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越弱。,為熱流體與冷流體間的平均溫差；,k 為傳熱系數(shù)，W/(m2 oC)。,傳熱學(xué),2-2 導(dǎo)熱,2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念 2-2-2 導(dǎo)熱的基本定律 2-2-3 導(dǎo)熱系數(shù) 2-2-4 導(dǎo)熱微分方程 2-2-5 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念,一、溫度場和溫度梯度,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念,三維穩(wěn)態(tài)溫度場：,一維溫度場:,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的

8、基本概念,2.等溫面：溫度場中溫度相同點(diǎn)的集合稱為等溫面。其疏密程度可反映溫度場在空間中的變化情況。,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,等溫面與等溫線的特點(diǎn)：,(1) 溫度不同的等溫面或等溫線彼此不能相交,(2) 在連續(xù)的溫度場中，等溫面或等溫線不會(huì)中止，它們或者是物體中完全封閉的曲面（曲線），或者就終止與物體的邊界上,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念,3.溫度梯度（Temperature gradient）,等溫面上沒有溫差，不會(huì)有熱傳遞。,不同的等溫面之間，有溫差，有導(dǎo)熱,溫度梯度是用以反映溫度場在空間的變化特征的物理量。,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念

9、,系統(tǒng)中某一點(diǎn)所在的等溫面與相鄰等溫面之間的溫差與其法線間的距離之比的極限為該點(diǎn)的溫度梯度，記為gradt。 或：溫度沿溫度變化方向上，溫度的變化率溫度梯度,注：溫度梯度是向量；正向朝著溫度增加的方向,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念,4.熱流密度矢量（Heat flux）,熱流密度：單位時(shí)間、單位面積上所傳遞的熱量，W/m2；,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,傳熱學(xué),2-2-1 導(dǎo)熱的基本概念,溫度梯度和熱流密度的方向都是在等溫面的法線方向。由于熱流是從高溫處流向低溫處，因而溫度梯度和熱流密度的方向正好相反。,傳熱學(xué),2-

10、2-2 導(dǎo)熱的基本定律,1. 傅里葉公式,：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量W,q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量,A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2,：平壁兩側(cè)壁溫之差，,熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），W/（m）,Thermal conductivity,傳熱學(xué),2-2-2 導(dǎo)熱的基本定律,2. 傅里葉定律的嚴(yán)格表述,負(fù)號是因?yàn)闊崃髅芏扰c溫度梯度的方向不一致而加上,傅里葉定律可表述為:系統(tǒng)中任一點(diǎn)的熱流密度與該點(diǎn)的溫度梯度成正比而方向相反,注：傅里葉定律只適用于各向同性材料各向同性材料：熱導(dǎo)率在各個(gè)方向是相同的,傳熱學(xué),2-2-3 導(dǎo)熱系數(shù)（ Thermal conductivity ）,傅利葉定律給

11、出了導(dǎo)熱系數(shù)的定義 :,w/m,導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度作用下單位時(shí)間內(nèi)單位面積的熱量。,導(dǎo)熱系數(shù)是物性參數(shù)，它與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密切相關(guān)，例如物質(zhì)的種類、材料成分、溫度、 濕度、壓力、密度等，與物質(zhì)幾何形狀無關(guān)。它反映了物質(zhì)微觀粒子傳遞熱量的特性,傳熱學(xué),2-2-3 導(dǎo)熱系數(shù)（ Thermal conductivity ）,不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同：,0C時(shí)：,當(dāng)0.2 W/(m)時(shí)，這種材料稱為保溫材料。高效能的保溫材料多為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)。,傳熱學(xué),2-2-3 導(dǎo)熱系數(shù)（ Thermal conductivity ）,3. 固體的： 金屬：2.3417.6 W/(m) 建材：0.162

12、.2 W/(m) 耐材：1.116 W/(m) 隔熱材料： 0.2 W/(m),1.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)：0.00580.58 W/(m) 是分子熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞的結(jié)果 T， ， 與壓力無關(guān)，其值由實(shí)驗(yàn)測定,2. 液體的：0.0930.7 W/(m) T， （水、甘油除外）,傳熱學(xué),2-2-3 導(dǎo)熱系數(shù)（ Thermal conductivity ）,同一種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)因其狀態(tài)參數(shù)的不同而改變，因而導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)溫度和壓力的函數(shù)。,一般把導(dǎo)熱系數(shù)僅僅視為溫度的函數(shù)，而且在一定溫度范圍還可以用一種線性關(guān)系來描述,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,

13、一、導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo),傅里葉定律：,建立導(dǎo)熱微分方程，可以揭示連續(xù)溫度場隨空間坐標(biāo)和時(shí)間變化的內(nèi)在聯(lián)系。,理論基礎(chǔ)：傅里葉定律 + 能量守恒方程,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,假設(shè)：(1) 所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質(zhì) (2) 熱導(dǎo)率、比熱容和密度均為已知 (3) 物體內(nèi)具有內(nèi)熱源；強(qiáng)度 qv W/m3; 內(nèi)熱源均勻分布；,導(dǎo)熱體內(nèi)取一微元體，根據(jù)能量守恒定律：單位時(shí)間凈導(dǎo)入微元體的熱量Qd加上微元體內(nèi)熱源生成的熱量Qv應(yīng)等于微元體焓的增加量,qv 表示單位體積的導(dǎo)熱體在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat

14、 Diffusion Equation）,1、導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈熱量,d 時(shí)間內(nèi)、沿 x 軸方向、經(jīng) x 表面導(dǎo)入的熱量：,d 時(shí)間內(nèi)、沿 x 軸方向、經(jīng) x+dx 表面導(dǎo)出的熱量：,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,d 時(shí)間內(nèi)、沿 x 軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量,d 時(shí)間內(nèi)、沿 y 軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量,d 時(shí)間內(nèi)、沿 z 軸方向?qū)肱c導(dǎo)出微元體凈熱量,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,導(dǎo)入與導(dǎo)出凈熱量:,傅里葉定律：,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion

15、 Equation）,2、 d時(shí)間微元體內(nèi)熱源的發(fā)熱量,3、微元體在d時(shí)間內(nèi)焓的增加量,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,若物性參數(shù) 、c 和 均為常數(shù)：,上式亦可寫為：,2為拉普拉斯算子,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,熱擴(kuò)散率 a 反映了導(dǎo)熱過程中材料的導(dǎo)熱能力（ ）與沿途物質(zhì)儲(chǔ)熱能力（ c ）之間的關(guān)系.,a值大，即 值大或 c 值小，說明物體的某一部分一旦獲得熱量，該熱量能在整個(gè)物體中很快擴(kuò)散,熱擴(kuò)散率表征物體被加熱或冷卻時(shí)，物體內(nèi)各部分溫度趨向于均勻一致的能力，所以a反應(yīng)導(dǎo)熱過程動(dòng)態(tài)

16、特性，研究不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱重要物理量 a是材料傳播溫度變化能力大小的指標(biāo)，因此又稱導(dǎo)溫系數(shù)。,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,對于穩(wěn)態(tài)溫度場 ： 此式常稱為泊桑方程 。,如果無內(nèi)熱源存在 : 此式則稱為拉普拉斯方程 .,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,二、導(dǎo)熱過程的單值性條件,導(dǎo)熱微分方程式的理論基礎(chǔ)：傅里葉定律+能量守恒。它描寫物體的溫度隨時(shí)間和空間變化的關(guān)系；沒有涉及具體、特定的導(dǎo)熱過程。通用表達(dá)式。,單值性條件：確定唯一解的附加補(bǔ)充說明條件，包括四項(xiàng)：幾何、物理、初始、邊界,完整數(shù)學(xué)描述：導(dǎo)

17、熱微分方程 + 單值性條件,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,1、幾何條件：說明導(dǎo)熱體的幾何形狀和大小，如：平壁或圓筒壁；厚度、直徑等,2、物理?xiàng)l件：說明導(dǎo)熱體的物理特征如：物性參數(shù) 、c 和 的數(shù)值，是否隨溫度變化；有無內(nèi)熱源、大小和分布；,3、初始條件：又稱時(shí)間條件，反映導(dǎo)熱系統(tǒng)的初始狀態(tài),、邊界條件:反映導(dǎo)熱系統(tǒng)在界面上的特征，也可理解為系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的關(guān)系。,傳熱學(xué),2-2-4 導(dǎo)熱微分方程（Heat Diffusion Equation）,（Boundary conditions）邊界條件常見的有三類,（）第一類邊界條件:該條件是給定系統(tǒng)邊界上的溫度分布，它可以是時(shí)間和空間的函數(shù)，也可以為給定不變的常數(shù)值,（2）第二類邊界條件:該條件是給定系統(tǒng)邊界上的溫度梯度，即相當(dāng)于給定邊界上的熱流密度，它可以是時(shí)間和空間的函數(shù)，也可