1、2020/4/6,1,传热学B,主讲：刘研,汽车工程学院热能工程系,（Heat Transfer）,2020/4/6,2,成绩分布,考试成绩 70%（百分制）,平时成绩 30%（百分制）,传热学（第四版） 杨世铭，陶文铨编 高等教育出版社,教材：,2020/4/6,3,概 述,1. 传热学,(1) 研究热量传递规律的科学，,(2) 热量传递过程的推动力：温差,热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源,有温差就会有传热,温差是热量传递的推动力,具体来讲主要有热量 传递的机理、规律、计算和测试方法,2020/4/6,4,2. 传热学的基本任务,(1) 求解温度分布,(2) 求解热量传递
2、速率,热力学 + 传热学 = 热科学, 系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。, 关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,3. 传热学与热力学的关系,2020/4/6,5,4. 传热学的应用举例,为什么水壶的把手要包上橡胶？,(1) 生活实例,若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20度， 那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否 一样？为什么？,2020/4/6,6,(2)工程实例,2020/4/6,7,2020/4/6,8,第一章 热量传递的三种基本方式,1 导热,一、定义,指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而
3、进行的热量传递现象。,1.条件：,无相对位移（必须直接接触）,2020/4/6,9,2.微观机理,气体,金属固体,非金属固体,液体,分子的热运动,自由电子的热运动,晶格的振动,介于气体和固体之间,二、傅利叶定律,单位时间内通过的导热热量与温度变化率及传热面积成正比。,（一维）,2020/4/6,10,负号：,热量传递方向与温度升高方向相反,称为导热系数,物性参数,表征材料导热性能优劣,热流密度,热流量,2020/4/6,11,例：一维稳态无限大平板的导热,稳态过程：温度不随时间变化的热量传递过程,非稳态过程：温度随时间变化的热量传递过程,返回, 无限大平板：,对于长度和宽度远远大于厚度的长方体
4、。,三、热阻分析法,1.自然界一切转移过程：,2.电量转移过程：,3.热量转移过程：,导热热阻，单位为,面积热阻，单位为,2020/4/6,14,2 对流,一、定义,当流体流过一个物体表面时的热量传递过程。,1.对流：,2.对流换热：,二、分类,1.有无相变：,无相变对流,凝结和沸腾对流,2.成因：,自然对流,强制对流,由密度差引起的,由泵、风机等压力设备引起 的流体流动,流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,2020/4/6,15,三、牛顿冷却公式,称为表面传热系数,非物性参数,2020/4/6,16,四、表面传热系数的影响因素,
5、h 的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有关：,（1）流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）；,（2）流体流动的形态（层流、紊流）；,（3）流动的成因（自然对流或强制对流）；,（4）物体表面的形状、尺寸；,（5）换热时流体有无相变（沸腾或凝结）。,2020/4/6,17,表1 一些表面传热系数的数值范围,2020/4/6,18,五、热阻分析法,2020/4/6,19,3 辐射,一、定义,以电磁波形式传递能量的现象。,1.辐射：,2.热辐射：,由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。,二、黑体和实际物体发出辐射能,1.黑体：,能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体。,2020/4/6,
6、20,2.四次方定律（黑体）：,3.实际物体：,斯忒藩玻耳兹曼常数，又称为黑体辐射常数， 5.6710-8 W/(m2K4)；,绝对温度，K。,黑度（又称发射率）。,2020/4/6,21,三、辐射换热,1.定义:,3.黑体间的辐射换热,物体间靠热辐射进行的热量传递。,以无限靠近的黑体平板为例：,2.特性：,可在真空中传播,有能量转换,2020/4/6,22,4.实际物体的辐射换热,以无限靠近的实际平板为例：,系统黑度,5.大空间小物体辐射换热,下角标1小物体,2020/4/6,23,作业： 1-9、1-12、1-20 2-4、2-9、 2-14、2-18 3-10、3-13、3-21 5-3
7、、5-8、5-20 6-7、6-14、6-41 8-6、8-8、8-20 9-6、9-23、9-30,返回,复习,1.一维稳态无限大平板（平壁）：,或,2020/4/6,25,4 传热过程和传热系数,传热过程：,热量由壁面一侧的流体通过壁面传递到另一侧流体中去的过程。,传热方程：,例：平壁中导热和对流综合传热,2020/4/6,27,第二章 导热基本定律及稳态导热,1 导热基本定律,一、温度场,某时刻物体中各点温度分布的总称。,1.定义：,2.等温线和等温面：,2020/4/6,28,3.温度梯度：,垂直于某一截面上的温度变化率。,二、导热基本定律（傅利叶定律）,单位时间内通过单位面积所传导的
8、热量，正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率。,2020/4/6,29,三、导热系数,定义式,工程测量, 保温材料：,凡平均温度不高于350摄氏度时，导热系数不大于0.12W/（mK）的材料。, 各向异性材料,2020/4/6,30,2 导热微分方程,1.导入微元体的总热流量,一、直角坐标系导热微分方程的形式,2020/4/6,31,2.导出微元体的总热流量,3.微元体内热源生成热,为单位时间内单位体积中内热源的生成热。,4.微元体热力学能的增量,三维直角坐标系非稳态有内热源的导热微分方程,非稳态项,扩散项,源项,2020/4/6,33,二、圆柱坐标系导热微分方程的形式,2020/4/6,34
9、,三、球坐标系导热微分方程的形式,2020/4/6,35, 为常数时, 为常数且无内热源时, 为常数、无内热源、稳态时,热扩散率（导温系数） ，,热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力,2020/4/6,36,四、定解条件,1.初始条件,2.边界条件,第一类边界条件：,给定壁面温度,第二类边界条件：,给定壁面热流密度,第三类边界条件：,对流换热条件,2020/4/6,37,五、求解步骤,1.建物理模型（简称建模）,2.导热微分方程的简化（建数学模型）,4.设定定解条件,5.求解温度分布公式（特解）,6.代入导热基本定律中求解热流量或热流密度,3.求解微分方程，得出
10、温度分布的通解,2020/4/6,38,3 平壁的稳态导热,一、单层平壁（即无限大平板）,1.建模,2.简化导热微分方程,3.求解微分方程,2020/4/6,39,5.求解温度分布公式,6.代入导热基本定律中求解热流量或热流密度,4.设定定解条件,2020/4/6,40,二、多层平壁,（三层）,（多层）,2020/4/6,41,实验一 稳态平板法测定绝热材料的导热系数,实测值为：,2020/4/6,42,2020/4/6,43,2020/4/6,44,2020/4/6,45,4 圆筒壁的稳态导热,一、单层,1.建模,2. 导热微分方程的简化,2020/4/6,46,5.求解温度分布公式,6.代
11、入导热基本定律中求解热流量或热流密度,3.求解微分方程，得出温度分布的通解,4.设定定解条件,2020/4/6,47,二、多层,1.对流换热：,复习,或,2.黑体四次方定律：,3.传热方程：,5.直角坐标系导热微分方程,4.导热基本定律（傅利叶定律）,或,复习,1.边界条件,2. 平壁导热（单层和多层）,（多层）,第一类边界条件且无内热源,3.圆筒壁导热（单层和多层）,2020/4/6,52,a.肋片、Ac、P为常数,假设：,等截面肋,b. l 很长,简化成二维的传热,c.,简化成一维的传热,一、等截面直肋的导热,1.建模,2020/4/6,53,d. 肋端绝热,e. 对流和辐射换热看成是肋片
12、的内热源,2020/4/6,54,2. 导热微分方程的简化,3.求解微分方程，得出温度分布的通解,4.设定定解条件,2020/4/6,55,5.求解温度分布公式,双曲余弦函数,双曲正切函数,双曲正弦函数,2020/4/6,56,6.代入导热基本定律中求解热流量或热流密度,肋端非绝热时,2020/4/6,57,二、其他肋片的导热,2020/4/6,58,已知参数,横坐标,已知参数,1.查图法,2020/4/6,59,2.公式法,2020/4/6,60,非稳态导热过程中温度场的变化规律及换热量的分析求解方法。包括：,2. 一维非稳态导热的分析解法；,1. 非稳态导热的集总参数分析法；,3. 半无限
13、大物体的非稳态导热。,主要内容：,2020/4/6,61,1 基本概念,一、非稳态导热问题的类型,（1）瞬态非稳态导热,（2）周期性非稳态导热,二、 瞬态导热过程的特点,（1）非正规状况阶段,（2）正规状况阶段,物体内初始温度分布消失，温度分布主要取决于边界条件及物性，各点的温度变化具有一定的规律,温度分布主要受初始温度分布控制,第三章 非稳态导热,2020/4/6,62,三、温度分布,非正规状况阶段（起始阶段）,正规状况阶段,新的稳态,导热过程的阶段,2020/4/6,63,2 集总参数法,一、集总参数法使用条件,条件一：物体内部温度分布均匀,1. 物体内部导热热阻,2. 特征长度：, 厚
14、的大平板, 半径 的长圆柱, 半径 的球体,条件二：物体内部导热热阻可忽略,2020/4/6,64,3. 表面对流换热热阻,4.毕渥数：,2020/4/6,65,平板,长圆柱,圆球,条件三：,2020/4/6,66,三、温度分布,2020/4/6,67,2020/4/6,68, 时间常数,2020/4/6,69,2020/4/6,70,毕渥数与傅立叶数的物理意义,无量纲热阻,无量纲时间,Fo越大，热扰动就能越深入地传播到物体内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介质的温度。,2020/4/6,71,四、换热量,1.瞬间换热量：,2. 0 内传给流体的总热量：,2020/4/6,72,厨师吹肉丝
15、 一厨师在炒鸡肉丝时要品尝一下咸淡，于是他从100的热炒锅中取出一鸡肉丝，用口吹了一会，待其降至65时再放入口中。试估算厨师需要吹多长时间？出锅时鸡肉丝可视为平均直径为2mm的圆条，厨师口中吹出的气流温度为30，其与鸡肉丝之间的表面传热系数为100W/(m2K)。 鸡肉丝的 、 、 。,2020/4/6,73,解：,2020/4/6,74,3 一维非稳态导热,2020/4/6,75,2020/4/6,76,求解步骤,1.建物理模型,2.导热微分方程的简化（建数学模型）,4.设定定解条件,5.求解温度分布公式（特解）,6.代入导热基本定律中求解热流量或热流密度,3.求解微分方程，得出温度分布的通
16、解,返回,复习,2.,1.等截面直肋稳态导热,肋效率的思考题,4. 集总参数法,3. 集总参数法使用条件（满足一个即可使用）,（1）物体内部温度分布均匀,（2）物体内部导热热阻可忽略,（3）,2020/4/6,80,本征方程,返回,2020/4/6,81,链接,诺谟图法,2020/4/6,82,诺谟图,2020/4/6,83,2020/4/6,84,第五章 对流换热,1 概述,一、影响因素,2020/4/6,85,二、分析方法,b. 近似积分法,d. 比拟法,三、研究内容,1.强制对流,（3）管外流体流动,（2）管内流体流动,（1）流体外掠平板,2.自然对流,3.相变对流,2020/4/6,8
17、6,2 边界层,一、速度边界层, 分类,层流边界层：,紊流边界层：,惯性力粘性力,惯性力 粘性力,（二维）,2020/4/6,87,2020/4/6,88, 层流底层,二、热边界层,2020/4/6,89,三、 与 关系,2020/4/6,90,3 流体外掠平板对流换热分析解,一、微分方程组的一般形式,2020/4/6,91,（二）动量守恒定律,2020/4/6,92,（三）能量守恒定律,（四）换热微分方程,2020/4/6,93,二、简化,1. 稳定流动：,2. 强制对流：,4. 层流边界层：,3. 外掠平板：,2020/4/6,94,5. 很小：,6. 无内热源,2020/4/6,95,2
18、020/4/6,96,三、定解条件,1. 速度边界层,2. 热边界层,2020/4/6,97,四、求解结果,1. 局部表面传热系数,2. 平均表面传热系数, 讨论,1. 称为努歇尔数,2. 特征长度 ：板长,3. 定性温度：,4. 适用范围：层流边界层,意义：大小反映平均对流换热的强弱,2020/4/6,99,实验四 水自然对流表面传热系数的测定,返回,2020/4/6,100,链接,2020/4/6,101,链接,2020/4/6,102,2020/4/6,103,2020/4/6,104,检流计（测电压）,热端,冷端（冰点）,tw1 tf 0,E测 E水,E查= E测+E水,tw1,返回,
19、链接,2020/4/6,105,1. 一维非稳态导热分析法,2. 一维非稳态导热诺谟图法,复习,3. 边界层,（1） 称为努歇尔数,（2） 特征长度 ：板长,（3） 定性温度：,（4） 适用范围：层流边界层,意义：大小反映平均对流换热的强弱,4.流体外掠平板时,第一次作业和试题讲解,2020/4/6,109,5 相似原理及量纲分析,一、相似原理,3. 相似条件：,（1）同类现象,（2）同名准则数相同,（3）单值性条件相似,2020/4/6,110,二、量纲分析,1. 定理：,一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-r个独立的无量纲物理量群间的关系式。r指n个物理量中所
20、涉及到的基本量纲的数目。,2. 基本量纲,时间,长度,质量,温度,2020/4/6,111,例：管内受迫对流,2020/4/6,112,2020/4/6,113,2020/4/6,114,三、应用,或,1. 求,（一）威尔逊法,2020/4/6,115,2. 求,（1）,（2）,复习,1. 相似原理、量纲分析,2020/4/6,117,6 管内受迫对流换热,一、基本概念,（一）流态：,2020/4/6,118,（二）特征长度：,1. 标准圆管：管内径,2. 非标准圆管：,2020/4/6,119,（三）流速 ：,（四）不均匀物性对流速 影响：,或,对气体,对液体,2020/4/6,120,（五
21、）入口效应：,2020/4/6,121,二、实验关联式,1. 迪图斯-贝尔特公式, 特征长度：管内径（或当量直径）, 定性温度：,2020/4/6,122,2. 齐德-泰勒公式, 特征长度：管内径（或当量直径）, 定性温度：,2020/4/6,123,3. 格尼林斯基公式,适用范围,2020/4/6,124,习题：水在管内受迫流动，质量流量 ， 管内径 ， 。,求（1） 流体平均温度 时，,（2）进口流体,（3）,2020/4/6,125,7 外掠单管和管束的对流换热,一、外掠单管,2020/4/6,126,二、准则方程式, C、n 的选择, 特征长度：外径, 定性温度：, 特征速度：来流速度
22、,2020/4/6,127,三、外掠管束,1.管束的排列方式,2020/4/6,128,2.准则方程式, C、m 的选择, 特征长度：外径, 特征速度：最大速度, 定性温度：,链接,2020/4/6,129,8 自然对流换热,一、原理,温差密度差浮升力自然对流自然对流换热,2020/4/6,130,二、准则关系式,气体：,2020/4/6,131,三、 大空间自然对流,2020/4/6,132, 特征长度, 定性温度：, C、n 的选择,链接, 温差较大时修正：,1.常壁温大空间自然对流,2020/4/6,133,2.常热流密度大空间自然对流, 特征长度：对矩形取短边长, 定性温度：,2020
23、/4/6,134,四、有限空间（夹层）自然对流,2020/4/6,135,竖直夹层, 特征长度：, 定性温度：,水平夹层,流体外掠平板,管内受迫对流,流体外掠单管,流体外掠管束,大空间自然对流,有限空间自然对流,板长,内径或,外径,外径,H或外径,下次收实验报告,试题,下次收作业,2020/4/6,138,实验一 稳态平板法测定绝热材料的导热系数,实测值为：,2020/4/6,139,2020/4/6,140,2020/4/6,141,2020/4/6,142,实验四 水自然对流表面传热系数的测定,2020/4/6,143,2020/4/6,144,链接,2020/4/6,145,2020/4
24、/6,146,检流计（测电压）,热端,冷端（冰点）,tw1 tf 0,E测 E水,E查= E测+E水,tw1,2020/4/6,147,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,1 辐射基本概念,一、本质和特点,1. 本质：,电子受激或振动,2020/4/6,148,2. 电磁波谱,（1）热射线：,（2）可见光：,（3）红外线：,（4）太阳：,2020/4/6,149,3. 热辐射特点,（1）不依赖物质的相互接触而传递；,（2）热传递过程有两次能量转化；,（3） 时时存在。,二、物体吸收、反射和穿透,2020/4/6,150,某一波长的辐射,2020/4/6,151,讨论：,1. 固体和液体：,
25、2. 气体：,三、理想物体,1. 黑体：,2020/4/6,152,2. 镜体：,白体：漫反射,3. 绝对透明体：, 纯金, 雪,可见光反射好,红外线吸收好,白布、黑布,红外线吸收相同,可见光吸收不同,2020/4/6,153,思考题,1. 红外线是红色的吗？,2. 维恩位移定律 ，温度为T 的黑体 发射的辐射能的波长是否为 ？,2020/4/6,155,2020/4/6,156,2020/4/6,157,复习,流体外掠平板,管内受迫对流,流体外掠单管,流体外掠管束,大空间自然对流,有限空间自然对流,板长,内径或,外径,外径,H或外径,2. 电磁波谱,3. 理想物体（黑体）,2020/4/6,
26、160,2 黑体辐射基本定律,一、基本概念,1. 辐射力：,单位时间内物体的单位面积向半球空间所有方向辐射出去的全部波长的辐射能总量。,2. 光谱辐射力：,（又称单色辐射力）,单位时间内物体的单位面积向半球空间所有方向辐射出去的在包含波长 在内的单位波长内的能量。,2020/4/6,161,二、普朗克定律,讨论：,1.,2020/4/6,162,3.,4.,2.,2020/4/6,163,三、维恩位移定律,四、四次方定律,2020/4/6,164,五、黑体辐射函数,？,2020/4/6,165,链接,2020/4/6,166,六、兰贝特定律,1. 立体角：,平面角：,2020/4/6,167,
27、2. 定向辐射强度：,2020/4/6,168,3. 兰贝特定律：,单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦 。,2020/4/6,169,3 实际固（液）体辐射特性,一、发射率（黑度）,（同温）,（同温）,（同温）,链接1,链接2,链接3,二、 影响因素, 只与自身条件有关,三、实际物体辐射力,链接,2020/4/6,172,返回,1. 黑体和人工黑体模型,2. 辐射力和光谱（单色）辐射力,和,3. 黑体的三个基本定律,4. 黑体辐射函数,复习,5. 立体角：,6. 定向辐射强度：,7. 兰贝特定律：,9. 实际物体辐
28、射力：,8. 发射率：,4 实际物体吸收比和基尔霍夫定律,一、基本概念,三、吸收比影响因素,物体物性、表面状况、温度,与投入辐射,二、物体吸收的选择性,四、吸收比计算,2为黑体时,五、灰体,灰体 只与本身性质有关,六、基尔霍夫定律,物体2内部：,平衡状态：,黑体1,实物2,黑体,只与自身特性有关, 无条件表达式,热平衡时, 漫灰体（表面）,2020/4/6,185,第八章 辐射换热计算,1 角系数,一、定义：,把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为 表面1对表面2的角系数，记为 。,假设：,（1）漫射表面；,（2）辐射物性均匀；, 是几何因子,2020/4/6,186,证明：,2020
29、/4/6,187,2020/4/6,188,二、性质：,1. 相对性：,黑体,2020/4/6,189,2. 完整性：,3. 可加性：,1. 吸收比计算：,2. 灰体：,3. 基尔霍夫定律,4. 漫灰体（表面）：,复习,6. 相对性,7. 完整性：,8. 可加性：,5. 是几何因子,2020/4/6,192,三、计算：,1. 积分法：,2020/4/6,193,2020/4/6,194,2020/4/6,195,3. 代数分析法：,（1）三个非凹表面组成的闭合系统：,相对性,完整性,2. 性质法：,2020/4/6,196,（2）有一个凹面的闭合系统：,（3）四个非凹面的闭合系统：,2020/
30、4/6,197,4. 几何分析法：,例题 9-1,课堂作业：,边长为l 的正方体，由上底面F1，下底面F2和 侧面F3组成的封闭空腔， 如图所示。 已知角系数 X3,3=0.6，求X1,2、X1,3=?,2020/4/6,198,2 灰体间的辐射换热,一、有效辐射：,单位时间内离开单位面积表面的总辐射能, 用符号J表示, 单位是W/m2。,用辐射探测仪可测,两个黑体之间的辐射换热,2020/4/6,199,二、灰体表面的能量变化：,2020/4/6,200,2020/4/6,201,三、2个灰体构成的闭合系统：,黑体,灰体,2020/4/6,202,系统黑度,2020/4/6,203,简化：,2020/4/6,204, 两个平行平板,2020/4/6,205, 大空间小物体,
