张靖周--传热学--中国石油大学华东

传热学传热学HeattransferHeattransfer张靖周能源与动力学院第一章绪论Introduction1-1概述一、传热学学科简介(1)研究热量传递规律的一门科学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。有温差就会有传热热量传递的机理、规律、控制和分析方法日常生活中的例子：自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍人体为恒温体。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？夏天人在同样温度（如：30度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？夹层越厚越好？(2)涉及到许多工程学科，是一门基础科学在以下领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、新材料、生物工程…传热学研究的背景和意义随着工农业规模的发展，传热学是在20世纪初才从物理学的热学部分独立出来而形成的专门学科，开始自成系统地开拓与发展20世纪80年代以来，我国在动力设备的大型化、核动力开发与安全性研究、飞行器的发射与回收以及热设备的节能等方面大力开展了导热、对流、辐射和复杂几何形状及复杂边界条件耦合的传热过程的基础和应用研究，取得了明显的经济效益强化传热和降低散热损失，实施能源综合利用以及多能互补系统，能源利用方式的更新，都会给传热分析带来新的具体问题微电子、航空航天技术、光电子技术、微机电系统（MEMS）、生物医学技术、激光武器、新一代制冷系统等迫切需要解决微细尺度、复杂结构、微重力、高热流密度、强变物性等条件下的传热传质问题。已经成为国际传热界的研究热点航空宇航科学技术中的典型应用航空宇航科学技术中的典型应用燃气涡轮发动机热端部件强化冷却发动机的热力过程压缩过程燃烧过程膨胀过程发动机理想的热力循环2—3为气流在燃烧室中的等压加热过程0—2为绝热压缩过程，其中：0—1为气流在进气道中的扩压1—2为气流在压气机中的增压3—5为绝热膨胀过程，其中：3—4为气流在涡轮中的膨胀4—5为气流在尾喷管中的膨胀提高循环的最高温度是改善各种热能动力机械性能最基本的技术途径根据工程热力学理论，单位质量气体的理想循环功()()[]∗∗∗∗−−−=05230TTTTCwP理想循环热效率为()kkc/)1(110−∗−=πη∗∗∗=02/ppcπ发动机的增压比增压比的提高引起压气机出口温度的提高kkppTT/)1(0202−∗∗∗∗⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛绝热压缩过程燃气涡轮发动机涡轮前温度变化趋势燃气涡轮发动机涡轮前温度变化趋势∗3T传热研究面临的挑战传热研究面临的挑战精确的传热分析模型高效强化传热技术飞行器红外隐身飞行器红外隐身气动加热与热防护系统气动加热与热防护系统飞行器座舱空气调节系统飞行器座舱空气调节系统电子器件冷却大规模集成电路的集成密度不断提高，电子器件每平方厘米的功率已有70年代的10W左右提高到本世纪初的100W量级以上冷凝器中放热；蒸发器中吸热空调系统调节温度和湿度：加热、制冷；加湿、除湿压缩制冷装置(3)研究领域非常活跃学术组织和刊物国内工程热物理学会、航空学会、高校工程热物理学会、动力工程学会…国外ASME，AIAA，Int.HMT…(4)与热力学构成热工基础的两大分支思考传热学与工程热力学的联系与区别？二、传热学与工程热力学的关系热力学研究平衡态；传热学研究过程和非平衡态传热学：热量Q传递过程的规律传热学以热力学第一定律和第二定律为基础热量Q传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。工程热力学：热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律传热学与工程热力学研究的问题不同热力学：Tm,Q热量水，M220oC铁块，M1300oC传热学：热量传递速率Q热流量应将热力学中的热量与传热学中的热流量区别开来。前者的单位是焦耳，后者是瓦)(),,,,(ττfQzyxfT==1-2热量传递的基本方式一、热传导（导热）-Conduction1、定义：物体各部分之间不发生相对位移或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进行的热量传递现象热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射2、导热的特点物体直接接触,无相对位移依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中★物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生ΔxT1T2A傅里叶定律是根据热传导实验得到的纯属现象学的一个定律，经过数学上的处理推广而得到的规律性总结-------本构关系xTTAQΔ−∝2131822年，法国数学家FourierxTTAQΔ−=21λ导热的基本定律[]WδλTAQΔ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡Δ==2mWδλTAQq1822年，法国数学家Fourier：1wT2wT1wT2wTT[]2mW:λ[])(KmW⋅Q：热流量，单位时间传递的热量[W][]2m:δ：平壁两侧壁温之差21wwTTT−=Δ[]K热导率（导热系数）A：垂直于导热方向的截面积q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量平壁的厚度[m]⎥⎦⎤⎢⎣⎡Δ==2mWδλTAQq[]WδλTAQΔ=体会热力学中的热量与传热学中的热流量区别4具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间(1s)的导热量(J)δλTAQΔ⋅=热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定气体液体非金属固体金属λλλλ;)(398CmWo=纯铜λ;)(6.0CmWo=水λ）（空气CCmWoo20)(026.0=λ[]WδλTAQΔ=[])(KmW⋅注：传热学中热流量的单位是[W]，而非[J]；[W]=[J]/[s]热流量是单位时间传递的热量；体现了传热的速率或快慢；传热是一个过程，而非平衡态；——这与热力学有区别5、导热热阻：与直流电路的欧姆定律I=U/R相似()[]WATTAQλδδλΔ=Δ=1wT2wTQQ1wT2wTT-Convection流体中有温差—热对流必然同时伴随着热传导1、定义：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若热对流过程使具有质量流量G的流体由温度T1处流至温度T2处，则此热对流过程传递的热流量为：[]WTTGcQp)(12−=2、对流换热：流体与固体壁间存在相对运动时的换热注：对流换热与热对流有区别★对流换热：流体与固体壁间的换热3、对流换热的特点：(1)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；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，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式★4、对流换热的基本计算式牛顿冷却公式（1701）[]W)(∞−=TThAQw[]2mW)(∞−==TThAQqw)(∞−∝TTddTwwτwTq—热流量[W]，单位时间传递的热量—热流密度—与流体接触的壁面面积—固体壁表面温度—流体温度—表面传热系数QqAwT∞T[]2mW[]2m[]Co[]Co[]C)(mW2o⋅h[]W)(∞−=TThAQw5——当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量))((∞−=TTAQhw[]C)(mW2o⋅影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等6、对流换热热阻：hRThATQΔ=Δ=)(1wTq-Radiation1、定义：物体转化本身的热力学能向外发射辐射能的现象；凡物体都具有辐射能力物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种类不同、表面状况不同，其辐射能力不同2、辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递注：辐射换热与热辐射有区别★3、辐射换热的特点(1)不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量(2)在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换物体热力学能电磁波能物体热力学能(3)无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量总的结果是热由高温传到低温4、黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。或称绝对黑体。黑体的辐射能力与吸收能力最强5-玻尔兹曼定律黑体向外发射的辐射能：实际物体辐射能力：低于同温度黑体[]24mWTEbbσ=—绝对黑体辐射力—黑体表面的绝对温度（热力学温度）—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，bETbσ)K(mW105.6742-8×[]2mW[]K[]24mWTEbεσ=—实际物体表面的发射率（黑度），0~1；与物体的种类、表面状况和温度有关ε1-3传热过程简介1、传热过程：两流体间通过固体壁面进行的换热辐射换热对流换热热传导传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成固壁复合传热过程忽略辐射时T1122w2T假设传热过程处于稳态：;)(111wfTThAQq−==;)(21δλwwTTq−=)(222fwTThq−=kffffffffrTTkTTTTkhhTTq21212121211)(11−=−=−=++−=λδ忽略辐射时[]C)(mW111221o⋅++=传热系数—hhkλδ[](W)Cm111221o⋅++==单位面积传热热阻—hhkrkλδk越大，传热越好。若要增大k，δλ或减小可增大21,,hhh的强化及增加k值的措施是传热学的重要内容之一2、传热系数与传热热阻传热有哪几种基本形式？每种基本形式的特点是什么?思考导热系数、表面传热系数(对流换热系数)、传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数？哪些与过程有关？当热量从壁面一侧的流体穿过固体壁传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任一个环节来计算(过程稳态)，试分析引入传热方程式的工程实用意义？思考用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会有什么感觉？试从传热学的观点分析这一现象。同样是25℃的房子，为什么夏天可以穿衬衫，而冬天却要穿毛衣？思考传热学研究方法实验研究+理论分析+数值模拟通过实验观察与测试，深刻认识基本现象与规律、积累第一手实验数据资料在实验和分析的基础上，采用宏观和微细观相结合的方法，发展出能够正确反映物理现象规律的数理模型采用数值模拟手段进行热现象的数值模拟研究，进一步揭示物理现象本质传热学发展简史18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展成长开辟了广阔的道路传热学这门学科就是在这种大背景下发展成长起来的，理论体系不断完善发展-创新三种传热方式基本理论的确立经历了各自独特的历程挑战-突破学习过程是孕育创新能力的过程(一)热传导傅里叶被公认为导热理论的奠基人（启示）19世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶都从固体一维导热的实验研究入手开展研究，1804年，毕渥根据实验提出了导热过程的本构公式：提高了对导热规律的认识，只是粗糙了一点傅里叶在进行实验研究的同时，十分注重数学工具的运用，很有特色。1822年发表了著名的论著：热的解析理论，成功地创建了导热理论在傅里叶之后，导热理论求解的领域不断扩大，雷曼、卡斯劳、耶格尔、雅各布等人的工作(二)对流换热流体流动的理论是对流换热理论的前提。1823年纳维尔提出的流动方程可适用于不可压缩流体，1845年经斯托克斯改进为N-S方程，完成了建立流体流动基本方程的任务----求解困难挑战1880年雷诺进行了著名的雷诺实验实验研究普朗特于1904年提出了著名的边界层理论、玻尔豪森引入了热边界层概念理论分析的突破1909-1915年努塞尔获得了有关无量纲数之间的原则关系，有力地促进了实验研究求解对流换热问题的进展。努塞尔成为发展对流换热理论的先驱近代发展中，麦克亚当、贝尔特、埃克特等(三)辐射换热在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射的理论具有重要作用19世纪初斯蒂芬根据实验确立了黑体辐射力与温度的4次方成正比的规律，后来在理论上为玻尔兹曼所