1、5,傳熱學 第1章 緒論,1-1 傳熱學的研究內容及其在科學技術和,工程中的應用,1-2 熱能傳遞的三種基本方式,1-3 傳熱過程和傳熱系數,1-4 傳熱學的發(fā)展簡史和研究方法,12,傳熱學 第1章 緒論,1.2 熱能傳遞的三種基本方式,1.2.1熱傳導,三種基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射,熱傳導物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，,依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子,的熱運動而產生的熱能傳遞稱為熱傳導。,13,傳熱學 第1章 緒論,1.2.1 熱傳導,0,單位時間通過dx微元層的導熱量為：,導熱系數w/(m.k),A表面積 m2,負號表示熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反,q熱流密度 w/m2,

2、17,傳熱學 第1章 緒論,1.2.1 熱對流,熱對流由于流體的宏觀運動而引起的流體各,部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體,相互摻混所導致的熱量傳遞過程。,對流傳熱流體流過一個物體表面時流體與物,體表面間的熱量傳遞過程。,對流傳熱分為自然對流和強制對流,自然對流由于流體冷、熱各部分的密度不同,而引起的，如暖氣片表面附近受熱,1 概念,18,傳熱學 第1章 緒論,1.2.1 熱對流,強制對流 流體的流動時由于水泵、風機或其,他壓差作用所造成的。,空氣向上流動.,2 對流傳熱的基本計算式,流體被加熱,流體被冷卻,熱流量,h表面?zhèn)鳠嵯禂?w/(m2.k)(材料不同h有所不同),1,傳熱學 第1章 緒論

3、,1.3 傳熱過程和傳熱系數,(g),其中，,，單位為w/(m2.k).,對K取倒數得,(h),(i),1,傳熱學 第1章 緒論,1.3 傳熱過程和傳熱系數,氟利昂冷凝器傳熱過程：管內水的,對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?,h1=8700w/(m2.k),管外氟利昂蒸汽凝結表面?zhèn)鳠嵯禂?,h2=1800w/(m2.k),管子導熱系數:,=1800w/(m2.k),管子厚度:,=1.5mm,三個環(huán)節(jié)的熱阻及總傳熱系數？,1,傳熱學 第1章 緒論,1.3 傳熱過程和傳熱系數,假設：穩(wěn)態(tài)過程,水側換熱單位面積熱阻：,管壁導熱單位面積熱阻：,氟利昂蒸汽凝結單位面積熱阻：,17.0%,0.6%,82.4%,1,傳

4、熱學 第1章 緒論,1.3 傳熱過程和傳熱系數,假設：穩(wěn)態(tài)過程,冷凝器的總傳熱系數：,m2.k/w,1,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)熱傳導,2.1.2 溫度場,穩(wěn)態(tài)溫度場物體中各點的溫度不隨時間而變。,非穩(wěn)態(tài)溫度場溫度場不僅在空間上變化，而且隨著時,間的變化而變。,（2-1）,（2-2）,溫度場物體中存在溫度的場。,1,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)熱傳導,2.1.2 溫度場,等溫面溫度場中同一瞬間相同溫度各點連成的面。,等溫線某個特殊平面與等溫面相截的交線。,物體上等溫線,1,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)熱傳導,2.2 導熱問題的數學描述,根據熱流密度公式,，研究熱流密度,值應先知道物體內的溫度場。,（2-6）,確定

5、導熱體內的溫度分布是導熱理論的首要任務,理論基礎：,傅里葉定律+能量守恒定律,1,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)熱傳導,2.2 導熱問題的數學描述,定義：根據能量守恒定律與傅立葉定律，建立導熱物體中的溫度場應滿足的數學表達式，稱為導熱微分方程。,假設：(1) 所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質 (2) 熱導率、比熱容和密度均為已知 (3) 物體內具有內熱源；強度qv W/m3;內熱源均勻分布；qv 表示單位體積的導熱體在單位時間內放出的熱量,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,導熱數學描述（導熱微分方程+邊界條件）,求解微分方程，得通解：,由邊界條件，求 c1，c2：,2.3.1 通過平壁的導熱,平壁內的溫度分布：

6、,溫度梯度：,通過平壁的熱流密度：,通過平壁的總熱流量：,2.3.1 通過平壁的導熱,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,當= 常數時，平壁內溫度分布呈線性分布， 且與無關。,通過平壁內任何一個等溫面的 熱流密度均相等，與坐標x無關。,導熱熱阻（Conductive resistance）,總熱阻：,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,2.3.1 通過平壁的導熱,結論：,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,課堂練習：,一磚墻的表面積為12m3，厚260mm，平均導熱系數為1.5w/(m.k)，設面向室內的表面溫度為25，外表面溫度為-5，試確定此磚墻向外界散失的熱量。,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,通過三層平壁的熱流密度：,通

7、過n層平壁的熱流密度:,求解：按照熱阻串聯(lián)相加原則。,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,2.3.1 通過平壁的導熱,層間分界面上的未知溫度為：,注：當導熱系數是溫度的線性函數，即,時， 的取值為計算區(qū)域平均溫度下的 。,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,2.3.1 通過平壁的導熱,1,2,3,t2,t1,三層爐墻的導熱過程如右圖：,參數：,壁厚：,1=115mm,t1=495,t2=60,內壁溫度：,外壁溫度：,2=125mm,3=70mm,導熱系數：,w/(m.k),w/(m.k),w/(m.k),P 50,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,2.3.1 通過平壁的導熱,1,2,3,t2,t1,求（1）單位時間每平方

8、米爐墻的熱損失？,（2）耐火粘土磚與硅藻土磚分界面,上的溫度？,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,2.3.1 通過平壁的導熱,1,2,3,t4,t1,假設：,（1）一維問題,（2）穩(wěn)態(tài)導熱,（3）無接觸熱阻,單位時間每平方米爐墻的熱損失：,w/m2,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,2.3.1 通過平壁的導熱,1,2,3,t4,t1,耐火粘土磚與硅藻土分界面的溫度：,傳熱學 第2章 穩(wěn)態(tài)導熱,課堂練習,一烘箱的箱門由兩種保溫材料A及B做成，且A=2B,已知A=0.1W/(m.k)， B=0.06W/(m.k)，烘箱內空氣溫度tf1=400，內壁面的總表面?zhèn)鳠嵯禂礹1=50W/(m2.k)。為安全起見，希望烘箱

9、門的外表面溫度不得高于50。設可把烘箱門導熱作為一維問題處理，試決定所需保溫材料的厚度。環(huán)境溫度tf2=25，外表面總表面?zhèn)鳠嵯禂礹2=9.5W/(m2.k)。,解：,2-4題,R4,R3,R2,R1,tf1,tf2,t1,tw,t2,一維穩(wěn)態(tài)導熱，熱量密度相等,？,？,mm,即,mm,mm,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.1 非穩(wěn)態(tài)導熱的基本概念,3.2 零維問題的分析法集中參數法,3.3 典型一維物體非穩(wěn)態(tài)導熱的分析解,3.4 半無窮大物體的非穩(wěn)態(tài)導熱,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.1 非穩(wěn)態(tài)導熱的基本概念,1. 非穩(wěn)態(tài)導熱（unsteady heat conduction）： 物體的溫

10、度隨時間而變化的導熱過程。,3.1.1 非穩(wěn)態(tài)導熱過程的特點及類型,2. 非穩(wěn)態(tài)導熱的類型,周期性導熱（Periodic unsteady conduction）： 物體的溫度隨時間而做周期性的變化。 瞬態(tài)導熱（Transient conduction）： 物體的溫度隨時間的推移逐漸趨近于恒定的值。,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.1.3 第三類邊界條件下Bi 數對平板中溫度分布的影響,1. 畢渥（Biot）數,定義：,物理意義：,分子：物體內部的導熱熱阻 ；,分母：物體外部的對流換熱熱阻 。,Bi 數的數值范圍：,2. 畢渥數 Bi 對溫度分布的影響,分析：設有一塊金屬平板 2,，a，V=0

11、，h， 初始溫度t0,突置于流體t中，且t t0。,內部導熱熱阻 趨于零；,集總熱容系統(tǒng)。,外部對流換熱 熱阻趨于零；,內部導熱熱阻和 外部對流換熱熱 阻相當。,第一類邊界條件,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.2 零維問題的分析法集中參數法,集中參數法 (Lumped parameter method)： Bi0.1時，物體內部的導熱熱阻遠小于外部的 對流換熱熱阻，這種忽略物體內部導熱熱阻的簡 化分析方法。,物體內部溫度分布：,分析： Bi0.1,導熱系數相當大； 幾何尺寸相當??； 表面?zhèn)鳠嵯禂礹很小。,3.2.3 集中參數法的適用范圍及應用舉例,判斷是否采用集中參

12、數法的依據：,是與物體幾何形狀 有關的無量綱常數,對厚為2的 無限大平板 對半徑為R的 無限長圓柱 對半徑為R的 球,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.2.1 集中參數法溫度場的分析解,分析問題,有一任意形狀物體，體積V，表面積A，物性參數 ，c為常數。初始溫度t0，初始時刻突然置于 溫度t（恒溫）的流體中， 表面?zhèn)鳠嵯禂礹為常數。,物體冷卻過程中溫度隨時間的變化規(guī)律； 物體放出的熱量。,求解,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.2.1 集中參數法溫度場的分析解,非穩(wěn)態(tài)，有內熱源的導熱微分方程為,物體內熱阻忽略，溫度與空間坐標無關，故,發(fā)生熱交換的邊界不是計算邊界，故對邊

13、界上交換的熱量進行折算,積分 ,其中的指數：,3.2.1 集中參數法溫度場的分析解,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,3.2.3 集中參數法的適用范圍及應用舉例,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,t0,t1,參數：,鋼球直徑：,d1=50mm,1=35,鋼球表面?zhèn)鳠嵯禂担?鋼球初始溫度：,w/(m.k),鋼球的換熱過程如下：,t0=450,空氣溫度：,t1=30,計算鋼球冷卻到300時所用的時間？,3.2.3 集中參數法的適用范圍及應用舉例,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,t0,t1,解：,判斷是否可用集中參數法,可以用集中參數法來解,3.2.3 集中參數法的適用范圍及應用舉例,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,t

14、0,t1,根據公式3-6，得,課堂練習,一塊厚20mm的鋼板，加熱到500后置于20的空氣中冷卻，設冷卻過程中鋼板兩側面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂禐?5w/(m2.k),鋼板的導熱系數為45w/(m.k),熱擴散率為 。試確定使鋼板冷卻到與空氣相差10時所需要的時間。,3.4 半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導熱,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,半無限大物體,指具有從x0界面,開始可以向正x方向及其他兩個坐標,方向無限延伸特點的物體。,適合場景舉例：,（1）壁溫突然升高到一定值并保持不變；,（2）壁面突然受到恒定熱流密度加熱；,（3）與溫度為,物體進行熱交換。,3.4 例題,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,假設：,半無窮

15、大物體，物性為常數,3.4 例題,傳熱學 第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱,解：,根據附錄15得,即，2h后離鑄件底面80mm處的溫度為705.7,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.1.1 對流傳熱的影響因素,1. 流動的起因 強迫對流，自然對流。流動的起因不同，流體內的速度分布，溫度分布不同，對流換熱的規(guī)律也不同。,自然對流：由于流體內部的密度差產生的流動。,強迫對流：流體在泵，風機或其他外部動力作 用下產生的流動。,5.1.1 對流傳熱的影響因素,2. 流動的流動狀態(tài) 層流流動，湍流流動。,層流 (Laminar flow)：,流速緩慢； 沿軸線或平行于壁面作規(guī)則分層流動； 熱量傳遞：主要靠導熱（垂直于流

16、動方向）,第5章 對流傳熱的理論基礎,湍流 (Turbulent flow)：,流體內部存在強烈脈動和旋渦運動； 各部分流體之間迅速混合； 熱量傳遞：主要靠對流 。,湍流邊界層 層流底層：導熱 湍流核心區(qū)：對流,5.1.1 對流傳熱的影響因素,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.1.1 對流傳熱的影響因素,3. 流體有無相變,Fluid motion induced by vapour bubbles generated at the bottom of a pan of boiling water,Condensation of water vapour on the outer surface

17、 of a cold water pipe,有相變 沸騰換熱，凝結換熱。 流體發(fā)生相變時的換熱規(guī)律及強度和單相流 體不同。,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.1.1 對流傳熱的影響因素,4. 流體的熱物理性質,對對流換熱的強弱有非常大的影響。,密度和比熱容：,體積熱容 ：單位體積流體熱容量的大小。,導熱系數：,影響流體內部的熱量傳遞過程和溫度分布； 越大，導熱熱阻越小，對流換熱越強烈。,第5章 對流傳熱的理論基礎,5. 換熱表面的幾何因素,換熱表面的幾何形狀，尺寸，相對位置， 表面狀態(tài)（光滑或粗糙）等。,對對流換熱有顯著影響； 影響流態(tài)，速度分布，溫度分布。,特征長度,5.1.1 對流傳熱的影響

18、因素,第5章 對流傳熱的理論基礎,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.3 邊界層型對流傳熱問題的數學描寫,邊界層概念：當粘性流體流過物體表面時，會形成速度梯度很大的流動邊界層；當壁面與流體間有溫差時，也會產生溫度梯度很大的溫度邊界層（或稱熱邊界層）,1 流動邊界層（Velocity boundary layer）,1904年，德國科學家普朗特 L.Prandtl,由于粘性作用，流體流速在靠近壁面處隨離壁面的距離的縮短而逐漸降低；在貼壁處被滯止，處于無滑移狀態(tài),第5章 對流傳熱的理論基礎,5.3 邊界層型對流傳熱問題的數學描寫,流體外掠平板時的流動邊界層,臨界距離：由層流邊界層開始向湍流邊界層過渡的

19、距離，xc,平板：,湍流邊界層：,臨界雷諾數：Rec,粘性底層（層流底層）：緊靠壁面處，粘滯力會占絕對優(yōu)勢，使粘附于壁的一極薄層仍然會保持層流特征，具有最大的速度梯度,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.3 邊界層型對流傳熱問題的數學描寫,流動邊界層的幾個重要特性,(1) 邊界層厚度 與壁的定型尺寸L相比極小， L,(2) 邊界層內存在較大的速度梯度,(3) 邊界層流態(tài)分層流與湍流；湍流邊界層緊靠壁面 處仍有層流特征，粘性底層（層流底層）,(4) 流場可以劃分為邊界層區(qū)與主流區(qū),邊界層區(qū)：由粘性流體運動微分方程組描述,主流區(qū)：由理想流體運動微分方程歐拉方程描述,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.4.

20、1 流體外掠平板傳熱層流分析解,2. 摩擦系數：,局部摩擦系數：,1. 流動邊界層厚度：,其中：,3. 熱邊界層厚度：,對層流流動,4. 等壁溫平板局部傳熱系數：,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.4 .1流體外掠平板傳熱層流分析解,平板積分,第5章 對流傳熱的理論基礎,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.4.4 比擬理論的基本思想,解：,板子表面空氣平均溫度：,判斷雷諾數大小,因為,所以，此處為層流流動狀態(tài),根據,第5章 對流傳熱的理論基礎,5.4.4 比擬理論的基本思想,熱邊界層厚度,已知：,求：離開平板前緣3cm及6cm處邊界層上的 (1)流動邊界層厚度; (2)熱邊界層厚度; (3)局部切應

21、力; (4)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?,第5章 對流傳熱的理論基礎,課堂練習,、100的空氣以100m/s的速度,流過一塊平板，平板溫度為30。,已知：,求：離開平板前緣3cm及6cm處邊界層上的 (1)流動邊界層厚度; (2)熱邊界層厚度; (3)局部切應力; (4)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?,第5章 對流傳熱的理論基礎,、100的空氣以100m/s的速度,流過一塊平板，平板溫度為30。,答案5-12,第5章 對流傳熱的理論基礎,答案,定性溫度,解：,根據附錄5查得,所以為層流,(1)當,m,m,3分,2分,2分,2分,2分,第5章 對流傳熱的理論基礎,答案,局部摩擦系數,(2)當,m,m,w/(m2.k)

22、,2分,2分,2分,2分,2分,局部摩擦系數,局部表面?zhèn)鳠嵯禂?w/(m2.k),第5章 對流傳熱的理論基礎,答案,2分,2分,1 相似原理,2 相似原理的應用,3 內部強制對流傳熱的實驗關聯(lián)式,4 外部強制對流傳熱流體橫掠單管、,5 大空間與有限空間內自然對流傳熱的實驗關聯(lián)式,第6章 單相對流傳熱的實驗關聯(lián)式,球體及管束的實驗關聯(lián)式,努塞爾準則數：,定義：,物理意義：對流換熱的強弱。,換熱現(xiàn)象相似：,雷諾數：,定義：,物理意義：流體流動的慣性力和粘性力的 相對大小。,兩運動相似現(xiàn)象：,動量微分方程,準則數小結,6.1 相似原理與量綱分析,普朗特準數：,定義：,物理意義：流體動量擴散能力和熱量擴散 能力的相對大小