傳熱基本概念和定律優(yōu)秀課件

火箭發(fā)動機(jī)傳熱學(xué)RocketHeatTransfer學(xué)分：2教師：陳雄職稱：講師聯(lián)系方法：84315456

學(xué)習(xí)內(nèi)容安排第一講傳熱基本概念和定律第二講導(dǎo)熱基本定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第三講非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第四講對流換熱第五講輻射換熱第六講固體火箭發(fā)動機(jī)中的傳熱基本知識第七講固體火箭發(fā)動機(jī)中的熱傳導(dǎo)第八講固體火箭發(fā)動機(jī)中的對流換熱第九講固體火箭發(fā)動機(jī)中的輻射換熱與復(fù)合換熱第十講固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室的熱防護(hù)第十一講固體火箭發(fā)動機(jī)噴管的熱防護(hù)第十二講數(shù)值傳熱學(xué)概述參考書教材：《固體火箭發(fā)動機(jī)傳熱學(xué)》鄭亞等編著輔助教材：《傳熱學(xué)》楊世銘、陶文銓編著，第三版《數(shù)值傳熱學(xué)》陶文銓編著

HeatTransfer(2ndEdition),byAnthonyF.MillsHeatTransfer,byJ.P.Holman第一講傳熱基本概念和定律(1)研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，具體來講主要有熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法

(2)熱量傳遞過程的推動力：溫差熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩从袦夭罹蜁袀鳠釡夭钍菬崃總鬟f的推動力

1概述1.1傳熱學(xué)（HeatTransfer）1.2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)(ThermalScience)

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)：熱傳遞過程總的熱量，以及各穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)，時(shí)間可能是無限的傳熱學(xué)：熱傳遞過程的瞬態(tài)或非穩(wěn)定情況(2)傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，即始終從高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩簜鬟f，如果沒有能量形式的轉(zhuǎn)化，則始終是守恒的水，M220oC鐵塊,M1300oC圖1-1傳熱學(xué)與熱力學(xué)的區(qū)別(2)幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用a航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻衛(wèi)星與空間站熱控制空間飛行器重返大氣層冷卻超高音速飛行器（Ma=10）冷卻核熱火箭、電火箭微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）太陽能高空無人飛機(jī)b微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）：電子芯片冷卻c生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存d軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水源熱泵f新能源：太陽能；燃料電池哥倫比亞航天飛機(jī)解體（ShuttleColumbia）Feb.1st,2003（STS-107mission）大推力液氫液氧火箭發(fā)動機(jī)推力室發(fā)汗冷卻再生冷卻的火箭發(fā)動機(jī)電阻電熱推進(jìn)器兩層結(jié)構(gòu)的、具有菱形立柱狀加熱器的新型微推進(jìn)器。噴管喉部尺寸為10－80μm電阻電熱推進(jìn)器氣化腔：1000×500×10μm加熱功率：40W加熱電阻：820×440×2μm加熱時(shí)間：10μs～1ms微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖微型化學(xué)推進(jìn)器同相催化微型化學(xué)推進(jìn)器，采用過氧化氫工質(zhì)，測試實(shí)驗(yàn)，脈沖沖量可控制于0.1－1.6mNs超高音速飛行器PassiveCellularCoreJetBlastDeflector新材料1.4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。1.5固體火箭發(fā)動機(jī)中的傳熱現(xiàn)象圖1-2固體火箭發(fā)動機(jī)簡圖

(1)固體火箭發(fā)動機(jī)的工作過程是一個(gè)典型的由固體推進(jìn)劑裝藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w火箭飛行動能的過程，固體推進(jìn)劑裝藥燃燒后不斷地產(chǎn)生大量的高溫（最高達(dá)3000K以上）和有一定壓力（幾兆帕到一、二十兆帕左右）的燃?xì)?，并連續(xù)排出。(2)發(fā)動機(jī)中的傳熱現(xiàn)象是多種形式的。燃?xì)獬藢崃總鹘o裝藥以維持連續(xù)燃燒外，還同時(shí)把熱量傳給燃燒室壁、噴管及擋藥板。這些部件在這種高溫燃?xì)獾淖饔孟?，溫度將急劇上升，材料?qiáng)度將有明顯下降的趨勢。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時(shí)間較長時(shí)，這種強(qiáng)度下降的趨勢就更為顯著。特別是在噴管喉部，通道面積最小，燃?xì)饷芰髯畲?，來自熱燃?xì)獾臒崃髅芏冗_(dá)到最大，工作條件最為惡劣。(3)在設(shè)計(jì)火箭發(fā)動機(jī)各部件結(jié)構(gòu)時(shí)，就需要從它們在受熱狀態(tài)下的實(shí)際強(qiáng)度出發(fā)，或者要考慮在各部件上分別采取熱防護(hù)措施。因此，也就需要了解各部件受熱后的溫度分布，需要進(jìn)行嚴(yán)格的傳熱計(jì)算。這就是傳熱學(xué)要解決的問題。(4)由于燃?xì)庀蛑車鷤鳠?，將造成燃?xì)獾臒釗p失。這種熱損失將反過來影響發(fā)動機(jī)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及壓力變化規(guī)律。長期以來，由于固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜性，在一般的內(nèi)彈道研究中，考慮熱損失的影響，通常都采用增加比熱比或減少火藥力的間接方法進(jìn)行修正。近年來，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，已能夠把非定常熱傳導(dǎo)包含在內(nèi)彈道方程之中，從而使得理論的研究更進(jìn)一步準(zhǔn)確化。2熱量傳遞的三種基本方式2.1導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對流(熱對流)和熱輻射。(1)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)動而進(jìn)行的熱量傳遞現(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)動而傳遞熱量；d在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。(4)導(dǎo)熱的基本定律：1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier:上式稱為Fourier定律，號稱導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。負(fù)號表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反。其中：：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]；：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）[W/(m·K)]。圖2-1一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0xdxdtQ(6)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻如圖2-1所示，簡化結(jié)果如圖2-2所示，穩(wěn)態(tài)q=const，于是積分Fourier定律有：(5)導(dǎo)熱系數(shù)表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。Q導(dǎo)熱熱阻單位導(dǎo)熱熱阻圖2-2一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱簡化結(jié)果例題2-1一塊厚度δ=50mm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，λ=375w/(m·K);材料為鋼，λ=36.4

w/(m·K);材料為鉻磚，λ=2.32

w/(m·K)；材料為鉻藻土磚，λ=0.242

w/(m·K)。解：參見圖2-1和圖2-2。及一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式有：鉻磚：硅藻土磚：討論：由計(jì)算可見，由于銅與硅藻土磚導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差別，導(dǎo)致在相同的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。因而，銅是熱的良導(dǎo)體，而硅藻土磚則起到一定的隔熱作用。銅：鋼：(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)生相對的宏觀運(yùn)動而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。2.2對流（熱對流）(Convection)(2)對流換熱：當(dāng)流體流過一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過程，他與單純的對流不同，具有如下特點(diǎn)：a導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(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；也必須有溫差c壁面處會形成速度梯度很大的邊界層

(3)對流換熱的分類

無相變：強(qiáng)迫對流和自然對流有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱圖2-3對流換熱中邊界層的示意圖(4)對流換熱的基本計(jì)算公式——牛頓冷卻公式h—

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(對流換熱系數(shù))—熱流量[W]，單位時(shí)間傳遞的熱量q—熱流密度A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度圖2-4平壁上的對流換熱h物理意義：當(dāng)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（Convectionheattransfercoefficient）(5)對流換熱系數(shù)(表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))(Thermalresistanceforconvection)(6)對流換熱熱阻：(1)定義：有熱運(yùn)動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象。2.3熱輻射(Thermalradiation)(2)特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。(3)生活中的例子：a當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會感到面向火的一面比背面熱；b冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會感到比沒有窗簾時(shí)要舒服；c太陽能傳遞到地面d冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0℃以上，但地面卻可能結(jié)冰。(4)輻射換熱：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，就像對流和對流換熱一樣(參照圖3-1)。(5)輻射換熱的特點(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在輻射換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。(6)輻射換熱的研究方法：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，然后，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)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。(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，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。(8)黑體輻射的控制方程：斯忒藩-波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律真實(shí)物體則為：(9)兩黑體表面間的輻射換熱(參見圖2-5和圖3-2)圖2-5兩黑體表面間的輻射換熱例題2-2一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外表面實(shí)測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流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W/(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些熱量傳遞方式；（2）計(jì)算每米長度管道的總散熱量。解：（1）此管道的散熱有輻射換熱和自然對流換熱兩種方式。（2）把管道每米長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，于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為：討論：計(jì)算結(jié)果表明，對于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的一類表面的散熱問題，自然對流散熱量與輻射具有相同的數(shù)量級，必須同時(shí)予以考慮。當(dāng)僅考慮自然對流時(shí)，單位長度上的自然對流散熱3傳熱過程和傳熱系數(shù)3.1傳熱過程的定義3.2傳熱過程包含的傳熱方式導(dǎo)熱、對流、熱輻射輻射換熱、對流換熱、熱傳導(dǎo)圖3-1墻壁的散熱兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱。3.3一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞圖3-2一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：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)。傳熱系數(shù)單位熱阻或面積熱阻ak越大，傳熱越好。若要增大k，可增大ch1、h2的計(jì)算方法及增加k