中南大學(xué)復(fù)習(xí)課_工程傳熱學(xué)

1、2021-12-141工程傳熱學(xué)復(fù)習(xí)課工程傳熱學(xué)復(fù)習(xí)課2021-12-142第一章第一章 緒論緒論熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) (heat conduction)：定義？定義？付立葉定律付立葉定律導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的定義、物理意義及單位？的定義、物理意義及單位？平壁的導(dǎo)熱熱阻，表示物體對導(dǎo)熱的阻平壁的導(dǎo)熱熱阻，表示物體對導(dǎo)熱的阻力，單位為力，單位為K/W (heat convection)AR 2021-12-143熱對流熱對流熱對流與對流換熱的定義及區(qū)別。熱對流與對流換熱的定義及區(qū)別。牛頓冷卻公式：牛頓冷卻公式：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的定義、物理意義及單位？的定義、物理意義及單位？影響影響h的因素的因素?zé)?/p>

2、輻射（熱輻射（heat radiation）熱輻射定義熱輻射定義斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律2021-12-1442021-12-145第二章第二章 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱2-1基本概念基本概念溫度場溫度場(temperature field) ：用文字描述用文字描述溫度不隨時間變化的溫度場，其中的導(dǎo)溫度不隨時間變化的溫度場，其中的導(dǎo)熱稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：熱稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：等溫面與等溫線等溫面與等溫線定義定義特征：特征：),(zyxft 0t2021-12-146溫度梯度溫度梯度(temperature gradient,方向和大方向和大小小)：定義：等溫面法線方向的溫度變化率定義：等溫面法線方向

3、的溫度變化率傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù)傅立葉定律及導(dǎo)熱系數(shù)非金屬金屬氣體液體固體合 金純 金 屬2021-12-147冬天，棉被經(jīng)過曬后冬天，棉被經(jīng)過曬后 拍打，問什么會覺得暖和？拍打，問什么會覺得暖和？答：棉被曬后，水分蒸發(fā)，經(jīng)拍打，大量答：棉被曬后，水分蒸發(fā)，經(jīng)拍打，大量空氣進(jìn)入棉絮空間，自然對流不易展開，空氣進(jìn)入棉絮空間，自然對流不易展開，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，故起到很好的保溫由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，故起到很好的保溫作用。作用。2021-12-148溫度溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響對導(dǎo)熱系數(shù)的影響一般地說一般地說, 所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)都是溫所有物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)都是溫度的函數(shù)度的函數(shù),不同物質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的不

4、同物質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律不同。變化規(guī)律不同。在工業(yè)和日常生活中常見的溫度范圍在工業(yè)和日常生活中常見的溫度范圍內(nèi)內(nèi), , 絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以近絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以近似地認(rèn)為隨溫度線性變化似地認(rèn)為隨溫度線性變化, , 表示為：表示為：變化時溫度分布曲線變化時溫度分布曲線)1 (0bT2021-12-149導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程建立基礎(chǔ)建立基礎(chǔ)表達(dá)式：表達(dá)式：直角坐標(biāo)系下導(dǎo)熱微分方程直角坐標(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)熱微分方程球坐標(biāo)系下一維導(dǎo)熱微分方程各項含義各項含義熱擴(kuò)散率定義、出處、物理意義，與導(dǎo)熱擴(kuò)散率定義、出

5、處、物理意義，與導(dǎo)熱系數(shù)區(qū)別熱系數(shù)區(qū)別2021-12-1410導(dǎo)熱過程的單值性條件導(dǎo)熱過程的單值性條件導(dǎo)熱問題的求解方法導(dǎo)熱問題的求解方法:(1)分析解法分析解法;(2)數(shù)數(shù)值解法值解法;(3)實驗方法。實驗方法。2021-12-14112-2一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱1 通過平壁的導(dǎo)熱通過平壁的導(dǎo)熱)(12Attttq=0( (1+b bt)b0b0t1 t20 x2021-12-14122 通過圓筒壁的導(dǎo)熱通過圓筒壁的導(dǎo)熱W 2)ln( 2211221Rttlrrttrlqwwww2021-12-1413例：由三層材料組成的加熱爐爐墻。第一層為耐火磚。例：由三層材料組成的加熱爐爐墻。第一層為

6、耐火磚。第二層為硅藻土絕熱層，第三層為紅磚，各層的厚度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)分別為及導(dǎo)熱系數(shù)分別為 1 1240mm240mm， 1 1=1.04W/(m=1.04W/(m ) )， 2 250mm, 50mm, 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m ) )， 3 3115mm, 115mm, 3 3=0.63W/(m=0.63W/(m ) )。爐墻內(nèi)側(cè)耐火磚的表面溫度為。爐墻內(nèi)側(cè)耐火磚的表面溫度為10001000。爐墻外側(cè)紅磚的表面溫度為。爐墻外側(cè)紅磚的表面溫度為6060。試計算硅。試計算硅藻土層的平均溫度及通過爐墻的導(dǎo)熱熱流密度。藻土層的平均溫度及通

7、過爐墻的導(dǎo)熱熱流密度。解：解： 已知已知 1 10.24m, 0.24m, 1 1=1.04W/(m=1.04W/(m ) ) 2 20.05m, 0.05m, 2 2=0.15W/(m=0.15W/(m ) ) 3 30.115m, 0.115m, 3 3=0.63W/(m=0.63W/(m ) ) t t1 1=1000=1000 t t4 4=60=60 2021-12-1414t2t3t4t1 qt1 r1 t2 r2 t3 r3 t4289700/125922231112233221141qttqttmWttq硅藻土層的平均溫硅藻土層的平均溫度為度為 499232 tt2021-12

8、-1415第三章第三章 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱3-1非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：周期性和非周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：周期性和非周期性兩個階段：非正規(guī)狀況階段（初始狀況階兩個階段：非正規(guī)狀況階段（初始狀況階段）、正規(guī)狀況階段段）、正規(guī)狀況階段(a) = 1 (b) = 2 (c) = 3 (d) = 42021-12-1416邊界條件對溫度分布的影響邊界條件對溫度分布的影響傅里葉數(shù)、畢渥數(shù)的表達(dá)式和物理意義傅里葉數(shù)、畢渥數(shù)的表達(dá)式和物理意義t0t t01/h / 2 t / 1/h2 t 1/h / 2 t02021-12-14173-2 集總參數(shù)法集總參數(shù)法集總參數(shù)系統(tǒng)定義、特征集總參數(shù)系統(tǒng)

9、定義、特征能量守恒能量守恒溫度分布溫度分布時間常數(shù)定義、表達(dá)式、影響因素時間常數(shù)定義、表達(dá)式、影響因素集總參數(shù)系統(tǒng)的判定集總參數(shù)系統(tǒng)的判定vvFoBiVchAee0MBiV1 . 02021-12-14183-3 一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的分析解一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的分析解求解思路：建立導(dǎo)熱微分方程式，求解思路：建立導(dǎo)熱微分方程式， 引進(jìn)過引進(jìn)過余溫度將非齊次方程組化為齊次方程，采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。用分離變量法求解溫度表達(dá)式。諾模圖（海斯勒圖）諾模圖（海斯勒圖）利用線算圖可求解溫度及熱量，注意只利用線算圖可求解溫度及熱量，注意只適用于適用于Fo 0.2的情況。的情

10、況。2021-12-1419例例 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分鐘時鋼板的中心溫度。解解： 根據(jù)題意，根據(jù)題意，=100mm = 0.1m。鋼材的熱擴(kuò)散率為。鋼材的熱擴(kuò)散率為 5343.2W/(m K)1.18 107790kg/m470J/(kg K)pac2021-12-1420傅里葉數(shù)為傅里葉數(shù)為 83. 2m1 . 0s6040/sm1018. 12252aFo畢渥數(shù)為畢渥數(shù)為 463.

11、 0K)W/(m2 .43m1 . 0K)W/(m3002hBi查圖可得查圖可得 32. 00m0mttttm00.320.3220 C 1000 C1000 C686ttttC2021-12-1421第四章第四章 對流換熱原理對流換熱原理4-1對流換熱概述對流換熱概述牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式 ,因此求解因此求解h 是對流換熱計算的核心問題是對流換熱計算的核心問題對流換熱微分方程式對流換熱微分方程式對流換熱影響因素對流換熱影響因素:流速、流態(tài)、流動起因流速、流態(tài)、流動起因、換熱面的幾何因素、流體物性、換熱面的幾何因素、流體物性)( ttAhw0yytth2021-12-1422 4-2 層流流

12、動換熱的微分方程組層流流動換熱的微分方程組不可壓縮牛頓型流體二維對流換熱問題，不可壓縮牛頓型流體二維對流換熱問題，常物性假定。常物性假定。連續(xù)性方程連續(xù)性方程動量微分方程動量微分方程(2個個)能量微分方程能量微分方程對流換熱微分方程對流換熱微分方程求解途徑求解途徑 各項含義、能量各項含義、能量微分方程與導(dǎo)熱微微分方程與導(dǎo)熱微分方程聯(lián)系分方程聯(lián)系2021-12-14234-3 對流換熱過程的相似理論對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只有同類現(xiàn)象才有相似的可能性對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式的

13、實驗獲取方法對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式的實驗獲取方法2021-12-14244-4邊界層（邊界層（Boundary layer）理論）理論邊界層定義邊界層定義邊界層厚度（相對大小決定于邊界層厚度（相對大小決定于Pr）：畫圖）：畫圖（還包括速度和溫度剖面）（還包括速度和溫度剖面）邊界層微分方程組邊界層微分方程組基本思路：對微分方程組中的各項進(jìn)行基本思路：對微分方程組中的各項進(jìn)行數(shù)量級比較，略去高階小量。數(shù)量級比較，略去高階小量。簡化條件：簡化條件：Re足夠大、足夠大、Pe足夠大足夠大結(jié)論：忽略結(jié)論：忽略、方程變化、物理特征。、方程變化、物理特征。2021-12-1425例例 溫度為溫度為30的空氣以的空

14、氣以0.5m/s的速度平行掠過長的速度平行掠過長250mm、溫度為、溫度為50的平板，試求出平板末端流動的平板，試求出平板末端流動邊界層和熱邊界層的厚度及空氣與單位寬度平板的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。換熱量。解：解： 邊界層的平均溫度都為邊界層的平均溫度都為 空氣空氣40的物性參數(shù)分別為的物性參數(shù)分別為v=16.96x10-6m2/s , =2.76x10-2W/m.k, Pr=0.699,在離平板前沿在離平板前沿250mm處，雷諾數(shù)為處，雷諾數(shù)為 mw1402tttC2021-12-1426邊界層為層流。流動邊界層的厚度為邊界層為層流。流動邊界層的厚度為 熱邊界層的

15、厚度為熱邊界層的厚度為 可見，空氣的熱邊界層比流動邊界層略厚。可見，空氣的熱邊界層比流動邊界層略厚。 整個平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 3620.5m/s 0.25m7.37 1016.96 10 m /sulRe0.51/235.0Re5 0.25m7.37 100.0146xm 1/31/3Pr14.6mm0.69916.4tmm1/21/21/331/30.664RePr0.6647.37 100.69950.6Nu2021-12-14271m寬平板與空氣的換熱量為寬平板與空氣的換熱量為 222.76 10 W/(m K)50.65.6/0.25mhNuW mKlw2

16、1m 0.25m 5.6W/(mK)5030 K28Ah ttW 2021-12-1428第五章第五章 對流換熱計算對流換熱計算5-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對流換熱計算內(nèi)流體受迫對流換熱計算 基本概念：進(jìn)口段與充分發(fā)展段基本概念：進(jìn)口段與充分發(fā)展段管內(nèi)受迫對流換熱的計算管內(nèi)受迫對流換熱的計算紊流與層流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式（紊流與層流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式（Re=2200 104 ）注意：注意：定性溫度與定型尺寸定性溫度與定型尺寸的選擇的選擇2021-12-14295-2 流體外掠物體的對流換熱計算流體外掠物體的對流換熱計算外掠平板（外掠平板（Rec=5105）準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，定性溫度與定型尺寸定性溫度

17、與定型尺寸外掠單管外掠單管邊界層分離邊界層分離準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，定性溫度與定型尺寸定性溫度與定型尺寸外掠管束外掠管束準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，定性溫度與定型尺寸定性溫度與定型尺寸2021-12-14305-3 自然對流換熱計算自然對流換熱計算無限空間自然對流換熱：例如，熱力管道無限空間自然對流換熱：例如，熱力管道表面散熱表面散熱豎直平板在空氣中自然冷卻流動和換熱豎直平板在空氣中自然冷卻流動和換熱特征特征 豎板自然對流換熱的微分方程組豎板自然對流換熱的微分方程組有限空間自然對流換熱有限空間自然對流換熱 ： 例如，空氣夾層例如，空氣夾層2021-12-1431對流換熱經(jīng)驗公式不需要記，但給出諸

18、對流換熱經(jīng)驗公式不需要記，但給出諸如如Nu=f(Re,Pr)或或Nu=(Gr,Pr)的經(jīng)驗公式的經(jīng)驗公式后，針對上面公式中的修正需要知道后，針對上面公式中的修正需要知道對什么進(jìn)行現(xiàn)象修正對什么進(jìn)行現(xiàn)象修正壁面溫度、彎曲、入口段等壁面溫度、彎曲、入口段等怎么查怎么查如如f 、 w如何選取如何選取2021-12-1432例例1 溫度為溫度為30的空氣以的空氣以0.5m/s的速度平行掠過長的速度平行掠過長250mm、溫度為、溫度為50的平板，試求出平板末端流動的平板，試求出平板末端流動邊界層和熱邊界層的厚度及空氣與單位寬度平板的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。換熱量。解：解： 邊

19、界層的平均溫度都為邊界層的平均溫度都為 mw1402ttt空氣空氣40的物性參數(shù)分別為的物性參數(shù)分別為v=16.96x10-6m2/s , =2.76x102W/m.k, Pr=0.699,在離平板前沿在離平板前沿250mm處，雷諾數(shù)為處，雷諾數(shù)為 2021-12-14333620.5m/s 0.25m7.37 1016.96 10 m /sulRe邊界層為層流。流動邊界層的厚度為邊界層為層流。流動邊界層的厚度為 0.51/235.0Re5 0.25m7.37 100.0146xm 熱邊界層的厚度為熱邊界層的厚度為 1/31/3Pr/1.02614.6mm0.699/1.02616.4tmm可

20、見，空氣的熱邊界層比流動邊界層略厚?？梢?，空氣的熱邊界層比流動邊界層略厚。 整個平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 1/21/21/331/30.664RePr0.6647.37 100.69950.6Nu 2021-12-1434222.76 10 W/(m K)50.65.6/0.25mhNuW mKl1m寬平板與空氣的換熱量為寬平板與空氣的換熱量為 w21m 0.25m 5.6W /(mK)5030 K28Ah ttW 2021-12-1435例例2 在一冷凝器中，冷卻水以在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過內(nèi)徑的流速流過內(nèi)徑為為10mm、長度為、長度為3m的銅管，冷卻

21、水的進(jìn)、出口溫的銅管，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為度分別為15和和65，試計算管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。，試計算管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：解： 由于管子細(xì)長，由于管子細(xì)長，l/d較大，可以忽略進(jìn)口段的影較大，可以忽略進(jìn)口段的影響。冷卻水的平均溫度為響。冷卻水的平均溫度為 f115 C65 C402tC 從附錄中水的物性表中可查得從附錄中水的物性表中可查得 2021-12-1436f=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31管內(nèi)雷諾數(shù)為管內(nèi)雷諾數(shù)為 4f62f1m/s 0.01mRe1.52 100.659 10 m /sud管內(nèi)流動為旺盛紊流。管內(nèi)流動為旺盛紊流。 0.8

22、0.4fff0.023RePr91.4Nu 2ff0.635W/(m K)91.45804/0.01mhNuW mKd2021-12-1437第六章輻射換熱原理第六章輻射換熱原理 6-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 熱輻射的本質(zhì)和特點熱輻射的本質(zhì)和特點本質(zhì)：電磁波本質(zhì)：電磁波特點：特點：吸收吸收,反射和透射反射和透射吸收率，反射率及透射率的定義吸收率，反射率及透射率的定義透明體，白體及黑體的定義透明體，白體及黑體的定義2021-12-14386-2黑體輻射和吸收的基本性質(zhì)黑體輻射和吸收的基本性質(zhì)輻射力輻射力E ；定義；定義單色輻射力單色輻射力定向輻射力定向輻射力立體角立體角輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度注意：輻射力是以發(fā)射物體的單位面積作注意：輻射力是以發(fā)射物體的單位面積作為計算依據(jù)，而輻射強(qiáng)度是以垂直于發(fā)射為計算依據(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算依據(jù)。方向的單位投影面積作為計算依據(jù)。2021-12-1439黑體輻射的基本定律黑