传热学PPT课件-绪论-动力工程

传热学Heattransfer第一章绪论Introduction本讲要点传热学学科的内涵传热研究在航空发动机技术进步中的意义热量传递的三种基本方式理解对流/对流换热、辐射/辐射换热概念的差异掌握传热过程的概念初步了解热阻分析的应用思路结合专业特点，了解传热学的应用背景传热学与工程热力学的关系-能量守恒原理应用辨析热量/热流量/热流密度等概念1-1概述一、传热学学科简介1)研究热量传递规律的一门科学传热的条件是什么？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…燃气涡轮发动机热端部件强化冷却压缩过程燃烧过程膨胀过程进排气航空宇航科学技术中的典型应用航空发动机涡轮叶片冷却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精确的传热分析模型高效强化传热技术受热状态是影响燃气涡轮动力装置高温零件可靠性和寿命的决定因素之一。在涡轮叶片设计中，温度估计的100K温差将带来叶片寿命一个数量级的误差，为了保证可靠工作，不得不采用“过冷却”的办法来弥补对温度估计的误差，这样就不能充分有效地利用现有的冷却技术。为了适应涡轮叶片进口温度不断提高的高性能燃气轮机的发展趋势，国内外普遍应对的技术途径集中在两个方面：即高温耐热材料的研究和高效传热冷却技术的研究。燃烧室火焰筒壁面冷却传热学在发动机设计体系中的应用研究高温升、高热容主燃烧室及加力燃烧室设计技术火焰筒壁面冷却技术燃烧室出口温度场主动控制技术加力燃烧室冷却技术高负荷、高效率涡轮部件设计技术高效涡轮冷却技术气-固-热多学科综合涡轮优化设计理论涡轮部件稳态、过渡态热分析技术涡轮间隙控制方法矢量推进及排气系统设计技术喷管冷却技术尾喷流强化混合技术低红外辐射特征控制技术发动机空气系统及热分析设计技术涡轮叶栅非定常传热旋转部件复杂流动和换热高效低阻热交换器设计技术封严结构流动换热进气道防冰飞行器红外隐身火箭发动机推力室高超音速飞行器电子器件冷却随着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3)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：研究系统内或系统间发生的热量传递速率。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：研究处于平衡状态的系统内部热能与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热流量应将热力学中的热量(单位：焦耳)与传热学中的热流量(单位：瓦)区别开来。)(),,,,(fΦzyxfT1-2热量传递的基本方式一、导热（热传导）(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。1、定义：相互接触而温度不同的物体之间，或同一物体温度不同的各部分之间，由于微观粒子的热运动而引起的热传递现象。2、导热的特点物体直接接触依靠分子、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3、导热的基本定律1822年，法国数学家FourierWddxTA2dTWdmqAxWddxTA2dTWdmqAx导热热流为φ：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；dT/dx表示该截面上沿热流方向的温度增量，或称为温度梯度（K/m)：导热系数（热导率）[W/(mK)]。WTAΦ2mWTAΦqT1wT2wTΦ1wT2wTΦ：平壁两侧壁温之差21wwTTTK4、热导率（导热系数）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)TAΦ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;)(398CmW纯铜;)(6.0CmW水）（空气CCmW20)(026.0WTAΦ)(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WATTAΦ1wT2wTΦ1wT2wTΦ例题1-1为了测量某材料的导热系数，用该材料制成一块厚5mm的平板试件，平板的长和宽远大于厚度，在平板的一侧采用电热膜加热，并保证所有的加热热量均通过该侧传至平板的另一侧。在稳定状态下，测得平板两侧表面的温度差为40℃，单位面积的热流量为9500W/m2，试确定该材料的导热系数。绝热层试件二、热对流-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2、对流换热：流体与固体壁间存在相对运动,且二者之间存在温差时所发生的热量传递现象。工程上感兴趣的是：流体沿一固体表面流动换热的情况对流换热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)由于流体的黏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★注：对流换热与热对流有区别★5、对流换热的基本计算式牛顿冷却公式（1701）W)(TThAΦw2mW)(TThAΦqwwTq4、对流换热的分类无相变：强迫对流和自然对流有相变：沸腾换热和凝结换热—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qAwTT2mW2mCCC)(mW2hW)(TThAΦw形式简单，内涵复杂★6、表面传热系数（对流换热系数）——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))((TTAΦhwC)(mW2影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等7、对流换热热阻：hRThATΦ)(1wTq例题1-2一根外径为0.3m，壁厚为3mm，长为10m的圆管，入口温度为80℃的水以0.1m/s的平均速度在管内流动，管道外部横向流过温度为20℃的空气，实验测得管道外壁面的平均温度为75℃，水的出口温度为78℃。已知水的定压比热为4187J/(kgK)，密度为980kg/m3，试确定空气与管道之间的对流换热系数。80℃78℃20℃三、热辐射-Radiation1、定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象物体的温度越高、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(动态平衡)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、斯忒藩-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]mW[24TEb—绝对黑体辐射力—黑体表面的绝对温度（热力学温度）—斯忒藩-玻尔兹曼常数，bET)K(mW105.6742-82mWK]mW[24TE—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6、辐射换热系数两个表面之间的辐射换热量：辐射换热往往与对流换热过程联系在一起—小于1的修正因子，它主要考虑辐射表面相对几何关系、表面辐射特性等因素F)(4241TTAFΦ)()(424121TTAFTTAhΦr214241)(TTTTFhr例题1-3一块辐射率为0.8的钢板，面积为1m2，表面温度为30℃，试确定单位时间内钢板所发出的辐射能。讨论:本例题计算的是钢板对外辐射出去的能量，并不是辐射换热量。试想如果钢板所处的环境温度也是30℃，那么钢板与环境之间的辐射换热量是多少呢?1-3传热过程简介一、传热过程：两流体间通过固体壁面进行的换热传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成辐射换热对流换热热传导固壁复合传热过程忽略辐射时T1fT1wT2fT2wT1fT1wT2wT2fTΦΦ思考：发动机中的传热过程高温燃气金属壁外侧金属壁外侧金属壁内侧金属壁内侧冷却空气假设传热过程处于稳态：;)(111wfTThAΦq;)(21wwTTq)(222fwTThqkffffffffrTTkTTTTkhhTTq21212121211)(11忽略辐射时T1fT1wT2fT2wT1fT1wT2wT2fTΦΦC)(mW111221传热系数—hhk(W)Cm111221单位面积传热热阻—hhkrkk越大，传热越好。若要增大k，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一二、传热系数与传热热阻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