总复习1大工传热学讲述课件

1复复 习习1复复 习习2考试时间：考试时间：第十七周第十七周 考试周考试周 考试地点：考试地点：待定待定答疑时间：答疑时间：6 6月月1 14 4日，第十六周日，第十六周星期五，星期五，9:00-11:30,14:00-16:309:00-11:30,14:00-16:30答疑地点：答疑地点：综合实验综合实验2 2号楼号楼423423、419A419A。2考试时间：第十七周考试时间：第十七周 考试周考试周 3平时成绩平时成绩：2020期末考试期末考试：808034题型题型1 1.简答题简答题2 2.证明证明3 3.计算题计算题4题型题型5简答：简答：P23.1,3,5,6P23.1,3,5,6P88.P88.1,3,41,3,4P151.1,2,6P151.1,2,6P185.1,2,6P185.1,2,6P224.1,2,5P224.1,2,5P286.1,4,9P286.1,4,9P338.1,5,8P338.1,5,8P387.1,3,4,6,7,8P387.1,3,4,6,7,8P445.1,4,5,7,8,9P445.1,4,5,7,8,95简答：简答：6证明证明1.1.导热问题数学描述导热问题数学描述2.2.等截面直肋导热等截面直肋导热3.3.集总参数问题数学描述集总参数问题数学描述4.4.稳态、非稳态导热节点差分方程式稳态、非稳态导热节点差分方程式5.5.对流传热问题能量方程式对流传热问题能量方程式6.6.边界层对流传热问题数学描述边界层对流传热问题数学描述7.7.相似原理准则关联式相似原理准则关联式6证明导热问题数学描述证明导热问题数学描述71.1.兰贝特定律兰贝特定律2.2.基尔霍夫定律基尔霍夫定律3.3.角系数角系数4.4.两灰体间辐射换热量两灰体间辐射换热量7兰贝特定律兰贝特定律8第第1 1章章 绪论绪论1.1.热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式2.2.传热过程和传热系数传热过程和传热系数8第第1章章 绪论热量传递的三种基本方式绪论热量传递的三种基本方式9第第1 1章章 绪论绪论重点掌握重点掌握：热传导、热对流、热辐射三种热量传递基热传导、热对流、热辐射三种热量传递基本方式及传热过程的特点。本方式及传热过程的特点。9第第1章章 绪论绪论10第第2 2章章 稳态热传导稳态热传导1.1.导热基本定律导热基本定律2.2.导热问题的数学描写导热问题的数学描写3.3.典型一维稳态导热问题的分析解典型一维稳态导热问题的分析解4.4.肋片肋片5.5.有内热源的一维导热有内热源的一维导热10第第2章章 稳态热传导导热基本定律稳态热传导导热基本定律11第第2 2章章 稳态热传导稳态热传导o重点掌握重点掌握：温温度度场场、温温度度梯梯度度、热热流流密密度度等等基基本本概概念念；傅傅里里叶叶定定律律；不不同同材材料料导导热热系系数数的的量量级级；直直角角坐坐标标系系下下导导热热微微分分方方程程式式及及其其推推导导方方法法；通通过过平平壁壁、圆圆筒筒壁壁、肋肋壁壁稳稳态态导导热热的的计计算算方方法法；非非稳稳态态导导热热过过程程的的特特点点、非稳态导热计算的集总参数法。非稳态导热计算的集总参数法。11第第2章章 稳态热传导重点掌握：稳态热传导重点掌握：12o重点掌握重点掌握：非稳态导热过程的特点、：非稳态导热过程的特点、o零维问题集中参数法。零维问题集中参数法。第第3 3章章 非稳态热传导非稳态热传导12重点掌握：非稳态导热过程的特点、第重点掌握：非稳态导热过程的特点、第3章章 非稳态热传导非稳态热传导131.1.数值求解的基本思想数值求解的基本思想2.2.内节点离散方程的建立内节点离散方程的建立3.3.边界节点离散方程的建立边界节点离散方程的建立4.4.非稳态导热问题数值解非稳态导热问题数值解第第4 4章章 热传导问题的数值解热传导问题的数值解13数值求解的基本思想第数值求解的基本思想第4章章 热传导问题的数值解热传导问题的数值解14o重点掌握：重点掌握：o列节点差分方程（物理法）列节点差分方程（物理法）内节点，边界节点内节点，边界节点第第4 4章章 热传导问题的数值解热传导问题的数值解14重点掌握：第重点掌握：第4章章 热传导问题的数值解热传导问题的数值解151.1.对流传热概述对流传热概述2.2.对流换热问题的数学描述对流换热问题的数学描述3.3.边界层问题的数学描写边界层问题的数学描写4.4.外掠等温平板层流换热分析解外掠等温平板层流换热分析解第第5 5章章 对流换热的理论基础对流换热的理论基础15对流传热概述第对流传热概述第5章章 对流换热的理论基础对流换热的理论基础16 重点掌握：重点掌握：（1 1）对流换热的牛顿冷却公式；）对流换热的牛顿冷却公式；（2 2）边界层的概念与特点及其对求解对）边界层的概念与特点及其对求解对流换热问题的意义流换热问题的意义第第5 5章章 对流换热的理论基础对流换热的理论基础16 重点掌握：第重点掌握：第5章章 对流换热的理论基础对流换热的理论基础171.1.相似原理及其应用相似原理及其应用2.2.单相强制对流换热实验关联式内部、外部单相强制对流换热实验关联式内部、外部3.3.自然对流换热大空间自然对流换热大空间第第6 6章章 单相对流换热的实验关联式单相对流换热的实验关联式17 相似原理及其应用第相似原理及其应用第6章章 单相对流换热的实验关联式单相对流换热的实验关联式18 重点掌握：重点掌握：（1 1）相似原理的主要内容及相似原理指导下的实）相似原理的主要内容及相似原理指导下的实验研究方法；验研究方法；（2 2）对流换热特征数）对流换热特征数(Nu、Re、Pr、Gr)的表达的表达式及其物理意义；式及其物理意义；（3 3）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大空间）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大空间自然对流换热的特点、影响因素，会利用特征自然对流换热的特点、影响因素，会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。数关联式计算上述对流换热问题。第第6 6章章 单相对流换热的实验关联式单相对流换热的实验关联式18 重点掌握：第重点掌握：第6章章 单相对流换热的实验关联式单相对流换热的实验关联式19重点掌握：重点掌握：1.1.凝结传热的模式，影响因素及传热强化凝结传热的模式，影响因素及传热强化2.2.沸腾传热的模式，影响因素及传热强化沸腾传热的模式，影响因素及传热强化第第7 7章章 相变对流换热相变对流换热19重点掌握：第重点掌握：第7章章 相变对流换热相变对流换热20第8章热辐射基本定律和辐射特性1.1.热辐射的基本概念热辐射的基本概念2.2.黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律3.3.实际物体的辐射特性实际物体的辐射特性4.4.基尔霍夫定律基尔霍夫定律20第第8章热辐射基本定律和辐射特性热辐射的基本概念章热辐射基本定律和辐射特性热辐射的基本概念21重点掌握：重点掌握：（1 1）黑黑体体、灰灰体体、吸吸收收比比、发发射射比比、透透射射比比、发发射射率率、辐辐射射力力、辐辐射射强强度度、有有效效辐辐射等热辐射的基本概念；射等热辐射的基本概念；（2 2）黑体辐射的基本定律；）黑体辐射的基本定律；（3 3）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律21重点掌握：重点掌握：22第第9 9章辐射换热的计算章辐射换热的计算1.1.角系数角系数2.2.两表面封闭系统的辐射传热两表面封闭系统的辐射传热3.3.多表面系统的辐射传热多表面系统的辐射传热4.4.气体辐射的特点，计算不要求气体辐射的特点，计算不要求5.5.辐射传热的控制，遮热板辐射传热的控制，遮热板22第第9章辐射换热的计算角系数章辐射换热的计算角系数23重点掌握：重点掌握：（1 1）角系数的定义及性质、角系数计算的代）角系数的定义及性质、角系数计算的代数法数法；（2 2）辐射热阻的概念）辐射热阻的概念，黑体和灰体表面组成的黑体和灰体表面组成的简单封闭空腔内辐射换热的计算方法。简单封闭空腔内辐射换热的计算方法。23重点掌握：重点掌握：24 第第1010章传热过程分析与换热器章传热过程分析与换热器1.1.传热过程传热过程2 2 换热器换热器3 3 平均温差的计算平均温差的计算4.4.间壁式换热器的热计算间壁式换热器的热计算24 第第10章传热过程分析与换热器章传热过程分析与换热器1.传热过程传热过程25重点掌握重点掌握：（1 1）传传热热过过程程和和传传热热系系数数的的概概念念，掌掌握握肋肋壁壁传传热热的的计计算算方方法法，了了解解传传热热的的强强化化与与削削弱方法。弱方法。（2 2）了了解解换换热热器器的的类类型型与与构构造造，掌掌握握换换热热器热计算的对数平均温差法。器热计算的对数平均温差法。25重点掌握：重点掌握：26三种基本的传热方式：导热、对流和热辐射导热的基本定律：导热的基本定律：傅里叶定律傅里叶定律 第第1 1章章 绪论绪论26三种基本的传热方式：导热、对流和热辐射导热的基本定律：傅三种基本的传热方式：导热、对流和热辐射导热的基本定律：傅27Q图图1-2 1-2 导热热阻的图示导热热阻的图示 t0 x dxdtQ导热热阻导热热阻单位导热热阻单位导热热阻要求会用热阻方法求换热量要求会用热阻方法求换热量27Q图图1-2 导热热阻的图示导热热阻的图示 t0 x28对流换热：基本计算公式对流换热：基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系数 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度A 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度固体壁表面温度 流体温度流体温度28对流换热：基本计算公式对流换热：基本计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式h 表面传热系表面传热系29 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影响影响h h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等因素：流速、流体物性、壁面形状大小等表面传热系数表面传热系数29 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位度时、每单位壁面面积上、单位30对流换热热阻：对流换热热阻：30对流换热热阻：对流换热热阻：313 3 3 3 热辐射热辐射黑体辐射的控制方程：黑体辐射的控制方程：斯忒藩玻耳兹曼定律斯忒藩玻耳兹曼定律 真实物体则为：真实物体则为：313 热辐射黑体辐射的控制方程：热辐射黑体辐射的控制方程：斯忒藩玻耳兹曼定律斯忒藩玻耳兹曼定律 321-2 1-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程传热过程:两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射图图1 14 4 墙壁的散热墙壁的散热321-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 传热过程传热过程:两流体间通过固两流体间通过固333 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递图图1 15 5 一维稳态传热过程一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻333 一维稳态传热过程中的热量传递图一维稳态传热过程中的热量传递图15 一维稳态传一维稳态传34上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。传热系数传热系数单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻34上面传热过程中传递的热量为：传热系数上面传热过程中传递的热量为：传热系数 ，是，是35a.k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大c.c.h h1 1、h h2 2的计算方法及增加的计算方法及增加k k值的措施值的措施注意：注意：b.b.非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法法35k 越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k，可增大，可增大h1、h2的计算的计算36第二章 稳态导热 o重点掌握重点掌握：温温度度场场、温温度度梯梯度度、热热流流密密度度等等基基本本概概念念；导导热热傅傅里里叶叶定定律律；不不同同材材料料导导热热系系数数的的量量级级；直直角角坐坐标标系系下下导导热热微微分分方方程程式式及及其其推推导导方方法法；通过平壁、圆筒壁、肋壁稳态导热的计算方法。通过平壁、圆筒壁、肋壁稳态导热的计算方法。36第二章第二章 稳态导热稳态导热 重点掌握：重点掌握：37(1).(1).若物性参数若物性参数 、c c 和和 均为常数：均为常数：直角坐标系下导热微分方程式直角坐标系下导热微分方程式37(1).若物性参数若物性参数、c 和和 均为常数：均为常数：直角坐标直角坐标38(2).(2).若物性参数为常数且无内热源：若物性参数为常数且无内热源：(3).(3).若物性参数为常数、稳态导热：若物性参数为常数、稳态导热：(4).(4).若物性参数为常数、无内热源稳态导热：若物性参数为常数、无内热源稳态导热：38(2).若物性参数为常数且无内热源：若物性参数为常数且无内热源：(3).若物性参数为若物性参数为39导热过程的定解条件导热过程的定解条件 使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件稳态导热问题常见的三类边界条件稳态导热问题常见的三类边界条件使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件(1).(1).第一类边界条件第一类边界条件已知任一瞬间导热体边界上温度值已知任一瞬间导热体边界上温度值稳态导热：稳态导热：t tw w=constconst 非稳态导热：非稳态导热：t tw w=f=f()39导热过程的定解条件导热过程的定解条件 使微分方程获得适合某一特定问题的解的使微分方程获得适合某一特定问题的解的40（2 2）第二类边界条件）第二类边界条件根据傅里叶定律：根据傅里叶定律：已知物体边界上已知物体边界上热流密度热流密度的分布及变化规律：的分布及变化规律：第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界 面法向的温度梯度值面法向的温度梯度值稳态导热：稳态导热：q qw w 非稳态导热：非稳态导热：40（2）第二类边界条件根据傅里叶定律：已知物体边界上热流密）第二类边界条件根据傅里叶定律：已知物体边界上热流密41（3 3）第三类边界条件）第三类边界条件当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知 任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数 t tf,f,h h q qw w 41（3）第三类边界条件当物体壁面与流体相接触进行对流换热时）第三类边界条件当物体壁面与流体相接触进行对流换热时422-3 通过平壁、圆筒壁、球壳和其它变截面物体的导热本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平本节将针对一维、稳态、常物性、无内热源情况，考察平板和圆柱内的导热。板和圆柱内的导热。直角坐标系：直角坐标系：1.单层平壁的导热单层平壁的导热o x a 几何条件：单层平板；几何条件：单层平板；b 物理条件：物理条件：、c、已知；无内热源已知；无内热源 c 时间条件：时间条件：d 边界条件：第一类边界条件：第一类422-3 通过平壁、圆筒壁、球壳和其它本节将针对一维、稳通过平壁、圆筒壁、球壳和其它本节将针对一维、稳43由热阻分析法：由热阻分析法：问：现在已经知道了问：现在已经知道了q q，如何计算其中第，如何计算其中第 i i 层的右侧壁温？层的右侧壁温？第一层：第一层：第二层：第二层：第第 i 层：层：43由热阻分析法：问：现在已经知道了由热阻分析法：问：现在已经知道了q，如何计算其中第，如何计算其中第 i 44下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况 长度为长度为 l 的圆筒壁的圆筒壁的导热热阻的导热热阻虽然是稳态情况，但虽然是稳态情况，但热流密度热流密度 q 与半径与半径 r 成反比！成反比！44下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况下面来看一下圆筒壁内部的热流密度和热流分布情况 长度为长度为45日常生活中的例子o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？o夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？45日常生活中的例子夏天人在同样温度（如：日常生活中的例子夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水度）的空气和水46第三章非稳态导热非稳态导热过程非稳态导热过程(集总参数法集总参数法)。重点掌握重点掌握：46第三章非稳态导热非稳态导热过程第三章非稳态导热非稳态导热过程(集总参数法集总参数法)。重点掌握。重点掌握471 1）毕渥数的定义：）毕渥数的定义：毕渥数属特征数（准则数）。毕渥数属特征数（准则数）。2 2）Bi Bi 物理意义：物理意义：Bi Bi 的大小反映了物体在的大小反映了物体在非稳态条件下内部温度场的分布规律。非稳态条件下内部温度场的分布规律。471）毕渥数的定义：毕渥数属特征数（准则数）。）毕渥数的定义：毕渥数属特征数（准则数）。2）Bi 48Bi 准则对温度分布的影响Bi 准则对无限大平壁温度分布的影响48Bi 准则对温度分布的影响准则对温度分布的影响Bi 准则对无限大平壁温度分布准则对无限大平壁温度分布493-2 集总参数法的简化分析1 定义：定义：忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的 分析方法。此时，分析方法。此时，温度分布只与时间有，温度分布只与时间有 关，即关，即 ，与空间位置无关，因此，也称为，与空间位置无关，因此，也称为 零维问题。零维问题。2 温度分布如图所示，任意形状的物体，参数均为已知。将其突然置于温度恒为将其突然置于温度恒为 的流的流体中体中。493-2 集总参数法的简化分析集总参数法的简化分析1 定义：忽略物体内部导热热定义：忽略物体内部导热热50当物体被冷却时（tt）,由能量守恒可知方程式改写为：方程式改写为：，则有，则有初始条件初始条件初始条件初始条件控制方程控制方程控制方程控制方程50当物体被冷却时（当物体被冷却时（tt）,由能量守恒可知方程式改写为：由能量守恒可知方程式改写为：51 积分积分 过余温度比过余温度比过余温度比过余温度比其中的指数：其中的指数：51 积分积分过余温度比其中的指数：过余温度比其中的指数：52即与即与 的量纲相同，当的量纲相同，当 时，则时，则此时，此时，上式表明：当传热时间等于上式表明：当传热时间等于 时，物体的过时，物体的过余温度已经达到了初始过余温度的余温度已经达到了初始过余温度的36.8。称称 为时间常数，用为时间常数，用 表示。表示。52即与即与 的量纲相同，当的量纲相同，当 时，则此时，时，则此时，53如果导热体的热容量（Vc）小、换热条件好（h大），那么单位时间所传递的热量大、导热体的温度变化快，时间常数(Vc/hA)小。对于测温的热电偶节点，时间常数越小、说明热电偶对流体温度变化的响应越快。这是测温技术所需要的工程上认为=4 Vc/hA时导热体已达到热平衡状态53如果导热体的热容量（如果导热体的热容量（Vc）小、换热条件好（）小、换热条件好（h大），大），544 物理意义物理意义无量纲无量纲无量纲无量纲热阻热阻热阻热阻无量纲无量纲无量纲无量纲时间时间时间时间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。544 物理意义无量纲热阻无量纲时间物理意义无量纲热阻无量纲时间Fo越越55采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于5%对厚为2的无限大平板对半径为R的无限长圆柱对半径为R的 球5 集总参数法的应用条件集总参数法的应用条件55采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于5%对厚为对厚为256第四章导热问题的数值解法 能够列出节点差分方程能够列出节点差分方程56第四章导热问题的数值解法第四章导热问题的数值解法 能够列出节点差分方程能够列出节点差分方程57xynm(m,n)MN基本概念：控制容积、网格线、节点、界面线、步长基本概念：控制容积、网格线、节点、界面线、步长二维矩形二维矩形域内稳态域内稳态无内热源，无内热源，常物性的常物性的导热问题导热问题57xynm(m,n)MN基本概念：控制容积、网格线、节点、基本概念：控制容积、网格线、节点、581.1.边界节点离散方程的建立：边界节点离散方程的建立：qwxyqw(1)平直边界上的节点平直边界上的节点如图所示如图所示 边界节点边界节点 (m,n)(m,n)只能只能代表半个元体，若边界上有向该代表半个元体，若边界上有向该元体传递的热流密度为元体传递的热流密度为q qw w ，据能，据能量守恒定律对该元体有：量守恒定律对该元体有：581.边界节点离散方程的建立：边界节点离散方程的建立：qwxyqw(1)平直边界平直边界59(2)外部角点外部角点xyqw如图所示，二维墙角计算区域中，如图所示，二维墙角计算区域中，该节点外角点仅代表该节点外角点仅代表 1/4 个以个以 为边长的元体。为边长的元体。59(2)外部角点外部角点xyqw如图所示，二维墙角计算区域中，该如图所示，二维墙角计算区域中，该60(3)内部角点内部角点xyqw如图所示内部角点代表了如图所示内部角点代表了 3/4 3/4 个元体，在个元体，在同样的假设条件下有同样的假设条件下有60(3)内部角点内部角点xyqw如图所示内部角点代表了如图所示内部角点代表了 3/4 61第五章 对流换热重点掌握：重点掌握：（1 1）对流换热的牛顿冷却公式；）对流换热的牛顿冷却公式；（2 2）边界层的概念与特点及其对求解）边界层的概念与特点及其对求解对流换热问题的意义；对流换热问题的意义；61第五章第五章 对流换热重点掌握：对流换热重点掌握：625-1 对流换热概述1 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 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不 是基本传热方式3 对流换热的基本计算式牛顿冷却式:625-1 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是对流换热的定义和性质对流换热是634 4 表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热系数）如如何何确确定定h h及及增增强强换换热热的的措措施施是是对对流流换换热热的核心问题的核心问题634 表面传热系数（对流换热系数）表面传热系数（对流换热系数）如何确定如何确定h及增强换热的及增强换热的645 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645 对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本对流换热的影响因素对流换热是流体的导热和对流两种基本65对流换热分类小结 65对流换热分类小结对流换热分类小结 66层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流湍流过渡流过渡流层流层流5-3 边界层概念及边界层换热微分方程组边界层概念及边界层换热微分方程组66层流底层缓冲层湍流过渡流层流层流底层缓冲层湍流过渡流层流5-3 边界层概念及边界层边界层概念及边界层671.1.物理现象物理现象 当粘性流体在壁面上流动时，当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴附于壁面的流体速度由于粘性的作用，在贴附于壁面的流体速度实际上等于零，在流体力学中称为贴壁处的实际上等于零，在流体力学中称为贴壁处的无滑移边界条件。无滑移边界条件。2.2.实验测定实验测定 若用仪器测出壁面法向（若用仪器测出壁面法向（向）的速度分布，如上图所示。在向）的速度分布，如上图所示。在 处，处，；此后随；此后随 ，。经经过一个薄层后过一个薄层后 接近主流速度。接近主流速度。671.物理现象物理现象 当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性683.3.定义定义 这一薄层称为流动边界层（速度边界这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定：层），通常规定：（主流速度）处的（主流速度）处的距离距离 为流动边界层厚度，记为为流动边界层厚度，记为 。4.4.数量级数量级 流动边界层很薄，如空气，以流动边界层很薄，如空气，以 掠过平板，在离前缘掠过平板，在离前缘 处的边界处的边界层厚度约为层厚度约为 。68定义定义 这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定：这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定：693.3.定义定义 这一薄层称为流动边界层（速度边这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定：界层），通常规定：（主流速度）（主流速度）处的距离处的距离 为流动边界层厚度，记为为流动边界层厚度，记为 。4.4.数量级数量级 流动边界层很薄，如空气，以流动边界层很薄，如空气，以 掠过平板，在离前缘掠过平板，在离前缘 处的边处的边界层厚度约为界层厚度约为 。69定义定义 这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定：这一薄层称为流动边界层（速度边界层），通常规定：70热边界层热边界层等温流动区等温流动区温度边界层温度边界层70热边界层等温流动区温度边界层热边界层等温流动区温度边界层71 由于速度在壁面法线方向的变化出现了由于速度在壁面法线方向的变化出现了流动边界层，同样，当流体与壁面之间存在流动边界层，同样，当流体与壁面之间存在温度差时，将会产生温度差时，将会产生热边界层热边界层，如上图所示如上图所示。在在 处，流体温度等于壁温处，流体温度等于壁温 ，71 由于速度在壁面法线方向的变化出现了流动边界由于速度在壁面法线方向的变化出现了流动边界72流动边界层的几个重要特性(1)边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小，L(2)边界层内存在较大的速度梯度(3)边界层流态分层流与湍流；湍流边界层紧靠壁面处 仍有层流特征，粘性底层（层流底层）(4)流场可以划分为边界层区与主流区边界层区：由粘性流体运动微分方程组描述主流区：由理想流体运动微分方程欧拉方程描述72流动边界层的几个重要特性流动边界层的几个重要特性(1)边界层厚度边界层厚度 与壁的定与壁的定73第六章第六章 相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析 重点掌握：重点掌握：（1 1）相似原理的主要内容及相似原理指导下的）相似原理的主要内容及相似原理指导下的实验研究方法；实验研究方法；（2 2）对流换热特征数）对流换热特征数(NuNu、ReRe、PrPr、GrGr)的表的表达式及其物理意义；达式及其物理意义；（3 3）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大）管内和外掠圆管束的强制对流换热及大空间自然对流换热的特点、影响因素，会利用空间自然对流换热的特点、影响因素，会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。特征数关联式计算上述对流换热问题。73第六章第六章 相似原理及量纲分析相似原理及量纲分析 重点掌握：重点掌握：741.相似原理的研究内容：相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，研究相似物理现象之间的关系，(1)物理现象相似：物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。(2)同类物理现象：同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。所描写的现象。2.物理现象相似的特性物理现象相似的特性(1)同名特征数对应相等；同名特征数对应相等；(2)各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对各特征数之间存在着函数关系，如常物性流体外略平板对流换热特征数：流换热特征数：特征数方程：无量特征数方程：无量纲量之间的函数关纲量之间的函数关系系741.相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，特特75同名的已定特征数相等同名的已定特征数相等 单值性条件相似：初始条件、单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件边界条件、几何条件、物理条件3.物理现象相似的条件物理现象相似的条件753.物理现象相似的条件物理现象相似的条件76单相、强制对流76单相、强制对流单相、强制对流77使用特征方程时应注意的问题：使用特征方程时应注意的问题：（1 1）特征长度应该按准则式规定的方式选取）特征长度应该按准则式规定的方式选取o特征长度：特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；包含在相似特征数中的几何长度；o如：管内流动换热：取直径如：管内流动换热：取直径 d do流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取取当量直径当量直径作为特征尺度：作为特征尺度：6.2 6.2 相似原理的应用相似原理的应用 77使用特征方程时应注意的问题：（使用特征方程时应注意的问题：（1）特征长度应该按准则式规）特征长度应该按准则式规78（2 2）定性温度应按该准则式规定的方式选取）定性温度应按该准则式规定的方式选取o定性温度：定性温度：计算流体物性时所采用的温度。计算流体物性时所采用的温度。o常用的选取方式有：常用的选取方式有：通道内部流动取进出口截面的平均值通道内部流动取进出口截面的平均值 外部流动取边界层外的流体温度或去这外部流动取边界层外的流体温度或去这一温度与壁面温度的平均值。一温度与壁面温度的平均值。78（2）定性温度应按该准则式规定的方式选取定性温度：计算流）定性温度应按该准则式规定的方式选取定性温度：计算流79（3 3）准则方程不能任意推广到得到该方程）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以外的实验参数的范围以外o参数范围主要有：参数范围主要有：数范围；数范围；数范围；数范围；几何参数范围。几何参数范围。79（3）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以802 2 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 802 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 81例题o已知冷空气温度为0，以6m/s的流速平等的吹过一太阳能集热器表面，该表面尺寸1m*1m，其中一个边与来流方向垂直。表面平均温度为20，求由于对流散热而散失的热量.o解：定性温度tm=(0+20)/2=10,o物性参数0.0251W/(m*K)o14.16*10-6m2/soPr0.705，ReuL/4.237*105oNu=0.664Re0.5Pr0.333=384.7oh=Nu /l=9.66W/(m2k)oQ=Aht=193W81例题已知冷空气温度为例题已知冷空气温度为0，以，以6m/s的流速平等的吹过一的流速平等的吹过一82第七章第七章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热o掌握凝结与沸腾换热的模式掌握凝结与沸腾换热的模式o影响凝结与沸腾换热的因素。影响凝结与沸腾换热的因素。影响凝结换热的因素。影响凝结换热的因素。1.1.不凝结气体不凝结气体2.蒸气流速蒸气流速3.过热蒸气过热蒸气4.4.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性5.5.管子排数管子排数 6.6.管内冷凝管内冷凝7.7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状82第七章第七章 凝结与沸腾换热掌握凝结与沸腾换热的模式凝结与沸腾换热掌握凝结与沸腾换热的模式83影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素1 不凝结气体对膜状沸腾换热的影响不凝结气体对膜状沸腾换热的影响2 过冷度过冷度 3 液位高度液位高度4 重力加速度重力加速度5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构83影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素1 不凝结气体对膜状沸腾换热的影响不凝结气体对膜状沸腾换热的影响2 84o第八章第八章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性o 重点掌握：重点掌握：（1 1）黑黑体体、灰灰体体、吸吸收收比比、发发射射比比、透透射射比比、发发射射率率、辐辐射射力力、辐辐射射强强度度、有有效效辐辐射射等等热热辐辐射射的的基基本概念；本概念；（2 2）黑体辐射的基本定律；）黑体辐射的基本定律；（3 3）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；）实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；84第八章第八章 热辐射基本定律及热辐射基本定律及 85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波单位时间内，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。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)，物体，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、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：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Eb85辐射力辐射力E：热辐射能量的表示方法：热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然，显然，E和和86(1)Planck(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：维恩维恩维恩维恩（WienWien）位移定律位移定律位移定律位移定律:(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律)：86(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：维恩（：维恩（Wien）位）位87图图7-10 7-10 定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图3.Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明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，因此，因此，Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。87图图7-10 定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图3.Lambert 定定88层 次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，为天顶角漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面4.Kirchhoff 4.Kirchhoff 定律的定律的注：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。88层层 次数学表达式成立条件光谱，定向无条件，次数学表达式成立条件光谱，定向无条件，为天顶角为天顶角489第九章第九章 辐射换热的计算辐射换热的计算o重点掌握：重点掌握：1 1、角系数的定义及性质、角系数计算、角系数的定义及性质、角系数计算的代数法；的代数法；2 2、辐射热阻的概念，黑体和灰体表面、辐射热阻的概念，黑体和灰体表面组成的简单封闭空腔内辐射换热的计组成的简单封闭空腔内辐射换热的计算方法。算方法。89第九章第九章 辐射换热的计算重点掌握：辐射换热的计算重点掌握：1、角系数的定义及性质、角系数的定义及性质90有有两两个个表表面面，编编号号为为1和和2，其其间间充充满满透透明明介介质质，则则表表面面1对对表表面面2的的角角系系数数X1,2是是：表表面面1直直接接投投射射到到表表面面2上上的的能能量量，占表面占表面1辐射能量的百分比。即辐射能量的百分比。即图8-1 有效辐射示意图 同同理理，也也可可以以定定义义表表面面2对对表表面面1的的角角系系数数。从从这这个个概概念念我我们们可可以以得得出出角角系系数数的的应应用用是是有有一一定定限限制制条条件件的的，即即漫射面、等温、物性均匀漫射面、等温、物性均匀角系数定义角系数定义90有两个表面，编号为有两个表面，编号为1和和2，其间充满透明介质，则表面，其间充满透明介质，则表面1对表对表91o2.角系数性质角系数性质o(1)相对性相对性o(2)完整性完整性若表面若表面1 1为非凹表面时，为非凹表面时，X X1,11,1=0=0。(3)(3)可加性可加性 912.角系数性质若表面角系数性质若表面1为非凹表面时，为非凹表面时，X1,1=0923 角系数的计算方法角系数的计算方法三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统两个非凹表面及假想面组成的封闭系统两个非凹表面及假想面组成的封闭系统923 角系数的计算方法角系数的计算方法三个非凹表面组成的封闭系统两个非三个非凹表面组成的封闭系统两个非939-2 9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热图图8-7 黑体系统的黑体系统的辐射换热辐射换热1黑体表面黑体表面 如图如图8-78-7所示，黑表面所示，黑表面1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为939-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热图被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热图8-7 94于是有于是有图图8-8 8-8 两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统2 漫灰表面漫灰表面94于是有图于是有图8-8 两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统2 漫灰表漫灰表95定义系统黑度定义系统黑度(或称为系统发射率或称为系统发射率)与黑体辐射换热比较，上式多了一个与黑体辐射换热比较，上式多了一个 ，它是考虑由，它是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。95定义系统黑度定义系统黑度(或称为系统发射率或称为系统发射率)与黑体辐射换热比较，上式与黑体辐射换热比较，上式96三种特殊情形三种特殊情形(1)(1)表面表面1 1为凸面或平面，此时，为凸面或平面，此时，X X1,21,21 1，于是，于是(2)(2)表面积表面积A A1 1比表面积比表面积A A2 2小得多，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0 于是于是(3)(3)表面积表面积A A1 1与表面积与表面积A A2 2相当，即相当，即A A1 1/A/A2 2 1 1 于是于是96三种特殊情形三种特殊情形(1)表面表面1为凸面或平面，此时，为凸面或平面，此时，X1,297 9-3 9-3 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射换热的计算 要求能够应用网络法进行多表面要求能够应用网络法进行多表面系统辐射换热的计算系统辐射换热的计算97 9-3 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射换热的计算 要求要求98网络法的应用举例网络法的应用举例两两漫漫灰灰表表面面组组成成的的封封闭闭系系统统，参参见见图图8-88-8，其其等等效效网网络络图图见见8-118-11所所示示，根根据据电电路路中中的的基基尔尔霍霍夫夫定定律律流流入入节节点点的的电电流流总总和和等等于于零零，列列出出每每个个节节点点的的热热流流方方程程，组组成成有效辐射的联立方程组，见左式有效辐射的联立方程组，见左式图图8-11 8-11 两表面封闭系统辐射换热等效网络图两表面封闭系统辐射换热等效网络图98网络法的应用举例图网络法的应用举例图8-11 两表面封闭系统辐射换热等效两表面封闭系统辐射换热等效99求解上面方程组获得求解上面方程组获得 ，根据：，根据：计算净辐射热流，其中计算净辐射热流，其中i i 代表表面代表表面1 1或表面或表面2 2。在在上上面面的的过过程程中中需需要要注注意意的的是是(1)(1)节节点点的的概概念念；(2)(2)每每个个表表面面一一个个表表面面热热阻阻，每每对对表表面面一一个个空空间间热热阻阻；(3)(3)以以及及画画电电路路图图的的一一些些基基本知识。本知识。99求解上面方程组获得求解上面方程组获得 ，根据：，根据：1009-4 辐射换热的强化与削弱由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。强化辐射换热强化辐射换热的主要途径有两种：的主要途径有两种：(1)增加发射率；增加发射率；(2)增加角系数。增加角系数。削弱辐射换热削弱辐射换热的主要途径有三种：的主要途径有三种：(1)降低发射率；降低发射率；(2)降低角系数；降低角系数；(3)加入隔热板。加入隔热板。其实插入防热板相当于降低了表面发射率。本节主要讨论这其实插入防热板相当于降低了表面发射率。本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式。种削弱辐射换热的方式。对于两个无限大平面组成的封闭系统，其换热量为对于两个无限大平面组成的封闭系统，其换热量为:1009-4 辐射换热的强化与削弱由于工程上的需求，经常需辐射换热的强化与削弱由于工程上的需求，经常需101为简单起见，假设为简单起见，假设 ，则，则上式变为上式变为 。现在在两面之间插入一块发射率仍为现在在两面之间插入一块发射率仍为 的遮热板，的遮热板，这样就组成了两个换热系统，如图这样就组成了两个换热系统，如图8-158-15所示所示.101为简单起见，假设为简单起见，假设 102稳态时有稳态时有:可见，与没有遮热板时相比，辐射换可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。热量减小了一半。图图8-15 8-15 遮热板遮热板102稳态时有稳态时有:可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一103o1 气体辐射的特点气体辐射的特点o (1)气体辐射对波长具有选择性。气体辐射对波长具有选择性。o (2)气体的辐射和吸收是在整个容积中进气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。行的。9-5 气体辐射气体辐射1031 气体辐射的特点气体辐射的特点9-5 气体辐射气体辐射104o重点掌握重点掌握：（1 1）传传热热过过程程和和传传热热系系数数的的概概念念，掌掌握握肋肋壁壁传传热热的计算方法，了解传热的强化与削弱方法。的计算方法，了解传热的强化与削弱方法。（2 2）了了解解换换热热器器的的类类型型与与构构造造，掌掌握握换换热热器器热热计计算的对数平均温差法。算的对数平均温差法。第第10章章 传热过程与换热器传热过程与换热器104第第10章章 传热过程与换热器传热过程与换热器105 tw2 tw1 0 xt h1 tf1 h2 tf2 105 tw2 tw1 0 xt h1 tf1 h106对数平均温差对数平均温差106对数平均温差对数平均温差107间壁式换热器的热计算间壁式换热器的热计算 换热器热计算的基本方程式是换热器热计算的基本方程式是传热方程式传热方程式及及热平衡式热平衡式107间壁式换热器的热计算换热器热计算的基本方程式是传热方程间壁式换热器的热计算换热器热计算的基本方程式是传热方程人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，总复习总复习1大工传热学讲述课件大工传热学讲述课件