1、传传 热热 学学一、热量传递的三种基本方式一、热量传递的三种基本方式导热导热(热传导热传导)对流对流(热对流热对流)三种基本模式的定义、实例三种基本模式的定义、实例热辐射热辐射二、导热、导热基本定律基本定律(Fouriers law）1822年，法国数学家傅里叶（年，法国数学家傅里叶（Fourier）在在实验研究基础上，实验研究基础上，发现发现导热基本规律导热基本规律 傅里叶定律傅里叶定律垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反温度梯度相反热导率（导热系数）热导率（导热系数）直角坐标系中：直角坐标系中：注：傅里叶定
2、律只适用于各向同性材料注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：各向同性材料：热导率在各个方向是相同的热导率在各个方向是相同的（Thermal conductivity）2-grad WmqtW(mC):xyztttqq iq jq kijkxyz ;xyztttqqqxyz W ddxtA2mW ddxtAq上式称为上式称为FourierFourier定律定律，号称导，号称导热基本定律，是一个一维稳态热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：导热。其中：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量WW；q q：热流密度，单：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位
3、面积传递的热量；A A：垂直于导热方向的：垂直于导热方向的截面积截面积m2m2；：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/(m K)W/(m K)。图图2-9 2-9 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0 x dxdtQ热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过 单位面积的导热量单位面积的导热量 物质的重要热物性参数物质的重要热物性参数影响热导率的因素：影响热导率的因素：热导率的数值表征物质导热能力大小。热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定实验测定 -g r a d qt;金属非金属固相液相气相W(mC)三、热导率（三、
4、热导率（Thermal conductivity）导热系数表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，导热系数表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。与材料种类和温度关。保温材料及其表观导热系数保温材料及其表观导热系数多孔性结构的保温材料多孔性结构的保温材料、导热微分方程及边界条件、导热微分方程及边界条件导热分为稳态导热和非稳态导热。导热分为稳态导热和非稳态导热。边界条件：边界条件：说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件围环境相互作用的条件边界条件一般可分为三类：边界条件一般可分为三类：第一类、第二类、第三类边界
5、条件第一类、第二类、第三类边界条件Q1wt2wtA图图2-9 2-9 导热热阻的图示导热热阻的图示 1wt2wtt0 x dxdtQrtttqww21RtAttww21rAR 导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻导热热阻：平壁，圆筒壁导热热阻：平壁，圆筒壁2-4 通过肋片的导热及传热强化通过肋片的导热及传热强化第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：为了增加传热量，可以采取哪些措施为了增加传热量，可以采取哪些措施?W 112121AhAAhttff（1）增加温差（）增加温差（tf1-tf2），但受工艺条件限制），但受工艺条件限制（2）减小热阻：）减小
6、热阻：a)金属壁一般很薄金属壁一般很薄(很小很小)、热导率很大，故导热热阻一般可忽略、热导率很大，故导热热阻一般可忽略b)增大增大h1、h2，但提高，但提高h1、h2并非任意的并非任意的c)增大换热面积增大换热面积 A 也能增加传热量也能增加传热量肋片强化传热的原理肋片强化传热的原理肋片效率：肋片效率：肋面总效率：肋面总效率：等截面直肋：等截面直肋：对流换热分类：对流换热分类：当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位壁面面积度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量上、单位时间内所传递的热量)(ttAhwK)(mW2影响影响h h因素：流动形式、物性、几何形状、对流类型等
7、因素：流动形式、物性、几何形状、对流类型等hhrthtqRthAt 1 )(1（Convection heat transfer coefficientConvection heat transfer coefficient）(5)(5)对流换热系数对流换热系数(表面传热系数表面传热系数)求解导热问题的三种基本方法：求解导热问题的三种基本方法：(1)理论分析法；理论分析法；(2)数值计算数值计算 法；法；(3)实验实验法法 三种方法的基本求解过程三种方法的基本求解过程 (1)所谓理论分析方法，就是在理论分析的基础上，直接对微分方程在给所谓理论分析方法，就是在理论分析的基础上，直接对微分方程在给
8、定的定解条件下进行积分，这样获得的解称之为分析解，或叫理论解；定的定解条件下进行积分，这样获得的解称之为分析解，或叫理论解；(2)数值计算法，把原来在时间和空间连续的物理量的场，用有限个离散数值计算法，把原来在时间和空间连续的物理量的场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，从而获得离散点上被求物理量的值；并称之为数值解；代数方程，从而获得离散点上被求物理量的值；并称之为数值解；4-2 4-2 边界节点离散方程的建立及代数边界节点离散方程的建立及代数 方程的求解方程的求解对于第一类边界条
9、件的热传导问题，处理比较简单，因为对于第一类边界条件的热传导问题，处理比较简单，因为已知边界的温度，可将其以数值的形式加入到内节点的离已知边界的温度，可将其以数值的形式加入到内节点的离散方程中，组成封闭的代数方程组，直接求解。散方程中，组成封闭的代数方程组，直接求解。而对于第二类边界条件或第三类边界条件的热传导问题，而对于第二类边界条件或第三类边界条件的热传导问题，就必须用就必须用热平衡的方法，建立边界节点的离散方程热平衡的方法，建立边界节点的离散方程，边界，边界节点与内节点的离散方程一起组成封闭的代数方程组，才节点与内节点的离散方程一起组成封闭的代数方程组，才能求解。能求解。为了求解方便，这
10、里我们将第二类边界条件及第三类边界为了求解方便，这里我们将第二类边界条件及第三类边界条件合并起来考虑，用条件合并起来考虑，用qw表示边界上的热流密度或热流表示边界上的热流密度或热流密度表达式。用密度表达式。用表示内热源强度。表示内热源强度。5-1 对流换热概述对流换热概述1 对流换热的定义和性质对流换热的定义和性质对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象热量传递现象 对流换热实例：对流换热实例：1)暖气管道暖气管道;2)电子器件冷却；电子器件冷却；3)电电 风扇风扇 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不对流换热与热对流不
11、同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式是基本传热方式(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧 贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层2 对流换热的特点对流换热的特点3 对流换热的基本计算式对流换热的基本计算式W )(tthAw2mW )(fwtthAq牛顿冷却式牛顿冷却式:5 对流换热的影响因素对流换热的影响因素对流换热是流体的
12、导热和对流两种基本传热方式共同作用的对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因流动起因;(2)流动状态流动状态;(3)流体有无相变流体有无相变;(4)换热表面的几何因素换热表面的几何因素;(5)流体的热物理性质流体的热物理性质6 对流换热的分类对流换热的分类：(1)流动起因流动起因自然对流自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产 生的流动生的流动强制对流强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生 的
13、流动的流动 自然强制hh(2)流动状态流动状态层流湍流hh(3)流体有无相变流体有无相变单相相变hh层流：整个流场呈一簇互相平行的流线层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（紊流）（Laminar flow）（Turbulent flow）单相换热单相换热：相变换热：凝结、沸腾相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等、升华、凝固、融化等（Single phase heat transfer）（Phase change）（Condensation）（Boiling）(4)换热表面的几何因素换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管
14、内或槽内内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束(5)流体的热物理性质：流体的热物理性质：热导率热导率 C)(mW 密度密度 mkg 3比热容比热容 C)(kgJ c动力粘度动力粘度msN 2运动粘度运动粘度 sm 2体胀系数体胀系数 K1 ppTTvv11自然对流换热增强 h)(多能量单位体积流体能携带更、hc)(热对流有碍流体流动、不利于 h)(间导热热阻小流体内部和流体与壁面综上所述，综上所述，表面传热系数是众多因素的函数表面传热系数是众多因素的函数：),(lcttvfhpfw4 物理意义物理意义vvFoBihlhl1Bi物
15、体表面对流换热热阻物体内部导热热阻Fo越大，热扰动就能越深入地传播到物体越大，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内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介质的温度。围介质的温度。22Flol a换热时间边界热扰动扩散到 面积上所需的时间对流换热微分方程组对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可常物性、无内热源、二维、不可 压缩牛顿流体压缩牛顿流体)2222ytxtytvxtutcp)()()22222222yvxvypFyvvxvuvyuxuxpFyuvxuuuyx（xu0yvxwxytth,前面前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却个方程求出温度场
16、之后，可以利用牛顿冷却微分方程微分方程：计算当地表面对流传热系数计算当地表面对流传热系数xh4个方程，个方程，4个未知量个未知量 可求得速度场可求得速度场(u,v)和和温度场温度场(t)以及压力场以及压力场(p),既适用于层流，也适用既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）于紊流（瞬时值）(1)相似分析法：相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。以左图的对流换热为例，以左图的对
17、流换热为例，00 yytth现象现象1 1：00 yytth现象现象2 2：数学描述：数学描述：对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数新的无量纲数格拉晓夫数格拉晓夫数23tlgGr式中：式中：流体的体积膨胀系数流体的体积膨胀系数 K K-1-1 Gr Gr 表征流体浮生力与粘性力的比值表征流体浮生力与粘性力的比值 (2)(2)量纲分析法：量纲分析法：在在已知相关物理量已知相关物理量的前提下，采用的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。量纲分析获得无量纲量。常见无量纲常见无量纲(准则数准则数)数的物理意义及表达式数的物理意义及表达式(
18、很重要）很重要）实验数据如何整理实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）（整理成什么样函数关系）特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性的确定具有一定的经验性目的：目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：式中，式中，c、n、m 等需由实验数据确定，等需由实验数据确定，通常由图解法和通常由图解法和最小二乘法确定最小二乘法确定nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNuPr),Gr(Nuf自然对流
19、换热：自然对流换热：混合对流换热：混合对流换热：Pr),Gr (Re,NufPr)Re,(Nu Pr)(Re,Nuxffx；强制对流强制对流:常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义物理意义模化试验应遵循的准则数方程模化试验应遵循的准则数方程nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNu试验数据的整理形式试验数据的整理形式：Pr),Gr(Nuf自然对流换热：自然对流换热：混合对流换热：混合对流换热：Pr),Gr (Re,NufPr)Re,(Nu Pr)(Re,Nuxffx；强制对流强制对流:常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其
20、各量的常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义物理意义模化试验应遵循的准则数方程模化试验应遵循的准则数方程nmnncccPr)Gr(NuPrReNuReNu试验数据的整理形式试验数据的整理形式：2.2.入口段的热边界层薄，表面传热系数高入口段的热边界层薄，表面传热系数高。层流入口段长度层流入口段长度:湍流时湍流时:/0.05 Re Prld/60ld层流层流湍流湍流3 3、螺旋管等弯管、螺旋管等弯管弯管效应：二次环流强化传热弯管效应：二次环流强化传热4 4、非圆形截面槽道、非圆形截面槽道当量直径：当量直径：二二.横掠管束换热实验关联式横掠管束换热实验关联式 外掠管束在换热器外掠管
21、束在换热器中最为常见。中最为常见。通常管子有叉排和通常管子有叉排和顺排两种排列方式。顺排两种排列方式。顺叉排换热的比较：顺叉排换热的比较：叉排换热强、阻力叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。损失大并难于清洗。影响管束换热的因影响管束换热的因素除素除 数外，数外，还有：叉排或顺排；还有：叉排或顺排；管间距；管束排数管间距；管束排数等等。、RePr气体横掠气体横掠1010排以上管束的实验关联式为排以上管束的实验关联式为 式中：定性温度为式中：定性温度为 特征长度为特征长度为管外径管外径d d，数中的流速采用整个管束中最窄截面处数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。的流速。实验验证范围：实验验证范
22、围：C C和和m m的值见下表。的值见下表。RemNuC()/2;rwftttRe。Re2000 40000f后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到响直到1010排以上的管子才能消失。排以上的管子才能消失。这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。束排数的因素作为修正系数。6-5 6-5 自然对流换热及实验关联式自然对流换热及实验关联式 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所
23、引起的流动。一般地，不均匀温度温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。自然对流的自模化现象：紊流时换热系数与特征尺度自然对流的自模化现象：紊流时换热系数与特征尺度无关。无关。工程中广泛使用的是下面的关联式：工程中广泛使用的是下面的关联式：式中：定性温度采用式中：定性温度采用 数中的数中的 为为 与与 之差，之差，对于符合理想气体性质的气体，对于符合理想气体性质的气体，。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。常数常数C C和和n n的值见下表。的值见下表。层流时
24、：层流时：n=1/4湍流时：湍流时：n=1/3 (Pr)nNuC Gr；()/2mwtttGrtwtt 1/T一一.大空间自然对流换热的实验关联式大空间自然对流换热的实验关联式第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热括强制对流换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热相变换热，目前涉及的是，目前涉及的是凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热两种。换热两种。相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比
25、单相对流换热更复杂，因此，目前，工程杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。上也只能助于经验公式和实验关联式。7-1 7-1 凝结传热的模式凝结传热的模式 7-2 7-2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式凝结换热的关键点凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及
26、会分析竖壁和横管的换热过程，及NusseltNusselt膜状凝结理论膜状凝结理论凝结换热实例凝结换热实例 冷凝器中的换热冷凝器中的换热 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程1 凝结过程凝结过程 膜状凝结膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。了热量传递。珠状凝结珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液
27、珠，此时壁面的部分表面与蒸上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）（可能大几倍，甚至一个数量级）gswttgswtt(2)(2)局部对流换热系数局部对流换热系数1/423llxlswgrh4(tt)x sw(tttC)整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数1/423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt)(3)(3)修正：修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高化，因此，实验
28、值比上述得理论值高2020左右左右1/423llVlswgrh1.13l(tt)修正后：修正后：定性温度：定性温度：2wsmttt注意：注意：r 按按 ts 确定确定1)(wspttcrJa时，惯性力项和液膜过冷度时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用对于倾斜壁，则用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当研究，如当 并且并且，1Pr(4)(4)水平圆管水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流努塞尔的理论分
29、析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结膜状凝结1/423llHlswgrh0.729d(tt)1/423llSlswgrh0.826d(tt)式中：下标式中：下标“H”H”表示水平管，表示水平管，“S”S”表示球表示球;d;d 为水为水 平管或球的直径。平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同7-3 7-3 膜状凝结的影响因素膜状凝结的影响因素及其传热强化及其传热强化 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。因素的影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度
30、下不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下 降，减小了凝结的驱动力降，减小了凝结的驱动力ht。2.2.蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使增大；反之使 减小。减小。h 7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状 强化凝结换热的原则是强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄
31、，或凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体者使已凝结的液体 尽快从换热表面上尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。7-4 7-4 大容器沸大容器沸腾传热模式及临腾传热模式及临界热流密度界热流密度CHFCHF 7-6 7-6 沸腾换热的影响因素沸腾换热的影响因素及其强化及其强化沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。素也只针对大容器沸腾换热。1 不凝结气体不凝结气体 对膜状凝结换热的影响？对膜状凝结换热的影响？与膜状凝结
32、换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化得到某种程度的强化2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。3 3、沸腾换热分类及沸腾曲线（详见参考书）、沸腾换热分类及沸腾曲线（详见参考书）nfwtth)(见见p.3278-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2)特点特点：a 任
33、何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关；均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图8-18-1所示，而我们所感兴趣所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁
34、波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m当当热辐射投射到物体表面上时，一般热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿会发生三种现象，即吸收、反射和穿透透，如图，如图8-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图8-28-2物体对热辐射物体对热辐射的吸收反射和穿透的吸收反射和穿透1.1.黑体概念黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体上的所有热辐射能的物体，是，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活
35、中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图8-5 8-5 黑体模型黑体模型8-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。波长的能量总和。(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物，物体的单位表面积向半球空间发射的能量体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、
36、E关系关系:显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：dEE0黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质 1)(512TcbecE式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-2-2 W W K K；(1)Planck(1)Plan
37、ck定律定律(第一个定律第一个定律)：图图7-67-6是根据上式描绘的是根据上式描绘的黑黑体光谱辐射力随波长和温体光谱辐射力随波长和温度的依变关系度的依变关系。mm与与T T 的关系由维恩位移的关系由维恩位移定律定律给出，给出，KmTm3108976.2图图8-6 Planck 定律的图示定律的图示(2)Stefan-Boltzmann2)Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律)：21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，=5.67=5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan
38、-Boltzmann常数。常数。(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段区段内所发射的辐射力，如图内所发射的辐射力，如图7-77-7所示：所示：图图8-7 8-7 特定波长区段内的特定波长区段内的 黑体辐射力黑体辐射力定义：定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：，单位：sr(球面度球面度)，如图，如图8-8和和8-9所示：所示：ddsindd2rAc(4)(4)立体角立体角黑体辐射函数黑体辐射函数:)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb定义：
39、定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图，参见图7-107-10。dcosd),(d),(AL(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,)：图图8-10 8-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(6)Lambert 定律定律(黑体辐射的第黑体辐射的第 三个基本定律三个基本定律)cosdd),(dLA它说明它说明黑体的定向辐射力随天顶角黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图7-11，因，因此，此，Lambert定律也称为余弦
40、定定律也称为余弦定律。律。图图8-11 Lambert8-11 Lambert定律图示定律图示LLEdcos2沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:8-3 固体和液体的辐射特性固体和液体的辐射特性1 发射率发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率因此，定义了发射率(也称为黑度也称为黑度)：相同温度下，：相同温
41、度下，实际实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEEEbbbLLLL)()()()(对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，分别引入了三个修正系数，即，发射率发射率，光谱发射率，光谱发射率()和定和定向发射率向发射率()，其表达式和物理意义如下其表达式和物理意义如下40)(TdEEEbb实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：力之比：bEE)(实际物
42、体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比：射强度之比：漫发射的概念：表面的方向发射率漫发射的概念：表面的方向发射率 ()与方向无关，即与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。图图8-14 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)前面讲过，黑体、灰体、白体等都是前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并理想物体，而实际物体的辐射特
43、性并不完全与这些理想物体相同，比如，不完全与这些理想物体相同，比如，(1)(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图的辐射力的差别见图8-128-12；(2)(2)实际实际物体的辐射力并不完全与热力学温度物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；的四次方成正比；(3)(3)实际物体的定实际物体的定向辐射强度也不严格遵守向辐射强度也不严格遵守LambertLambert定定律，等等。所有这些差别全部归于上律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。来确定，形式也可能很复杂。在
44、工程在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。上一般都将真实表面假设为漫发射面。图图8-12 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱1.1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2.2.选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收3.3.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用
45、表表 示示，即，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：图图8-18 8-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有
46、双面性，人们在利用选择性吸收的同多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理方法，即般有两种处理方法，即(1)(1)灰体法，即将光谱吸收比灰体法，即将光谱吸收比 ()等效为常数，即等效为常数，即 =()=const=const。并将。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰似，它也是
47、一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；体假设带来的误差是可以容忍的；谱带模型法谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。体假设。层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT表表8-2 Ki
48、rchhoff 8-2 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。比例。9-1 9-1 辐射传热的角系数辐射传热的角系数 前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因前面讲过，热
49、辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于于2020世纪世纪2020年代提出的，它有很多名称，如，形状因子、可年代提出的，它有很多名称，如，形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注意视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对漫射面的是，角系数
50、只对漫射面(既漫辐射又漫发射既漫辐射又漫发射)、表面的发射、表面的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适用。辐射和投射辐射均匀的情况下适用。1.1.角系数的定义角系数的定义 在介绍角系数概念前，要先温习两个概念在介绍角系数概念前，要先温习两个概念(1)(1)投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G G。下面介绍角系数的概念及表达式。下面介绍角系数的概念及表达式。(1)角系数角系数：有两个表面，编号为：有两个表面，编号为1和和2，其间充满透明介，其间充满透明介质，则质，则表面表面1对表面对表面2的角系数的角系数X1,2是：表面是：表面1
