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1、傳熱學(xué),Heat transfer,第一章 緒論,Introduction,本講要點(diǎn),傳熱學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵 傳熱研究在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步中的意義,熱量傳遞的三種基本方式 理解對流/對流換熱、輻射/輻射換熱概念的差異,掌握傳熱過程的概念 初步了解熱阻分析的應(yīng)用思路,結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，了解傳熱學(xué)的應(yīng)用背景,傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系 - 能量守恒原理應(yīng)用 辨析熱量/熱流量/熱流密度等概念,1-1 概述一、傳熱學(xué)學(xué)科簡介 1) 研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué),傳熱的條件是什么？,熱力學(xué)第二定律,熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩? 有溫差就會(huì)有傳熱, 溫差是熱量傳遞的推動(dòng)力,日常生活中的例子：,自然界與生產(chǎn)過程

2、到處存在溫差傳熱很普遍,人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和 冬天都保持20度，那么在冬天與夏天、人在房 間里所穿的衣服能否一樣？為什么？ 夏天人在同樣溫度（如：30度）的空氣和水中 的感覺不一樣。為什么？ 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利 于保溫。如何解釋其道理？夾層越厚越好？,2) 涉及到許多工程學(xué)科，是一門基礎(chǔ)科學(xué),在以下領(lǐng)域大量存在傳熱問題動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、新材料、生物工程,燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件強(qiáng)化冷卻,進(jìn)排氣,航空宇航科學(xué)技術(shù)中的典型應(yīng)用,航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻,燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度變化趨勢,傳熱研究面臨的挑戰(zhàn) 精確的

3、傳熱分析模型 高效強(qiáng)化傳熱技術(shù),受熱狀態(tài)是影響燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置高溫零件可靠性和壽命的決定因素之一。 在渦輪葉片設(shè)計(jì)中，溫度估計(jì)的 100K 溫差將帶來葉片壽命一個(gè)數(shù)量級(jí)的誤差，為了保證可靠工作，不得不采用“過冷卻”的辦法來彌補(bǔ)對溫度估計(jì)的誤差，這樣就不能充分有效地利用現(xiàn)有的冷卻技術(shù)。,為了適應(yīng)渦輪葉片進(jìn)口溫度不斷提高的高性能燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展趨勢，國內(nèi)外普遍應(yīng)對的技術(shù)途徑集中在兩個(gè)方面：即高溫耐熱材料的研究和高效傳熱冷卻技術(shù)的研究。,燃燒室火焰筒壁面冷卻,傳熱學(xué)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系中的應(yīng)用研究 高溫升、高熱容主燃燒室及加力燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù) 火焰筒壁面冷卻技術(shù) 燃燒室出口溫度場主動(dòng)控制技術(shù) 加力燃燒室冷卻

4、技術(shù),高負(fù)荷、高效率渦輪部件設(shè)計(jì)技術(shù) 高效渦輪冷卻技術(shù) 氣-固-熱多學(xué)科綜合渦輪優(yōu)化設(shè)計(jì)理論 渦輪部件穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)熱分析技術(shù) 渦輪間隙控制方法,矢量推進(jìn)及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 噴管冷卻技術(shù) 尾噴流強(qiáng)化混合技術(shù) 低紅外輻射特征控制技術(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)及熱分析設(shè)計(jì)技術(shù) 渦輪葉柵非定常傳熱 旋轉(zhuǎn)部件復(fù)雜流動(dòng)和換熱 高效低阻熱交換器設(shè)計(jì)技術(shù) 封嚴(yán)結(jié)構(gòu)流動(dòng)換熱 進(jìn)氣道防冰,飛行器紅外隱身,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室,高超音速飛行器,電子器件冷卻,隨著大規(guī)模集成電路的集成密度不斷提高，電子器件每平方厘米的功率已有70年代的10W左右提高到本世紀(jì)初的100W量級(jí)以上,3) 與熱力學(xué)構(gòu)成熱工基礎(chǔ)的兩大分支,思 考 傳熱學(xué)與

5、工程熱力學(xué)的聯(lián)系與區(qū)別？,二、傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)的關(guān)系,熱力學(xué)研究平衡態(tài)； 傳熱學(xué)研究過程和非平衡態(tài),傳熱學(xué)：研究系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間發(fā)生的熱量傳遞速率。 傳熱學(xué)以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ) 熱量 Q 傳遞始終是從高溫物體向低溫物體傳遞；在熱量傳遞過程中若無能量形式的轉(zhuǎn)換，則熱量始終保持守恒。,工程熱力學(xué)：研究處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)部熱能與 其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律,傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)研究的問題不同,熱力學(xué)：Tm , Q 熱量,傳熱學(xué)：熱量傳遞速率 熱流量,應(yīng)將熱力學(xué)中的熱量(單位：焦耳)與傳熱學(xué)中的熱流量(單位：瓦)區(qū)別開來。,1-2 熱量傳遞的基本方式,一、 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduc

6、tion),熱量傳遞的三種基本方式： 導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對流(熱對流)和熱輻射。,1、定義：相互接觸而溫度不同的物體之間，或同一物體溫度不同的各部分之間，由于微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱傳遞現(xiàn)象。,2、導(dǎo)熱的特點(diǎn),物體直接接觸 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量 在引力場下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中 ,物質(zhì)的屬性；可以在固體、液體、氣體中發(fā)生,傅里葉定律: 是根據(jù)熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)得到的純屬現(xiàn)象學(xué)的一個(gè)定律，經(jīng)過數(shù)學(xué)上的處理推廣而得到的規(guī)律性總結(jié)-本構(gòu)關(guān)系,3、導(dǎo)熱的基本定律,1822年，法國數(shù)學(xué)家Fourier,導(dǎo)熱熱流為,：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量W；q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位

7、面積傳遞的熱量；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2；dT/dx表示該截面上沿?zé)崃鞣较虻臏囟仍隽浚蚍Q為溫度梯度（K/m) ：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）W/( m K)。,：平壁兩側(cè)壁溫之差,4、熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）,具有單位溫度差（1K）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量(J),熱導(dǎo)率表示材料導(dǎo)熱能力大小；物性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)確定,注：傳熱學(xué)中熱流量的單位是W， 而非J； W= J/s,熱流量是單位時(shí)間傳遞的熱量；體現(xiàn)了傳熱的速率或快慢； 傳熱是一個(gè)過程，而非平衡態(tài)； 這與熱力學(xué)有區(qū)別,5、導(dǎo)熱熱阻：與直流電路的歐姆 定律 I=U/R 相似,例題1-1,為了測量某材料

8、的導(dǎo)熱系數(shù)，用該材料制成一塊厚5mm的平板試件，平板的長和寬遠(yuǎn)大于厚度，在平板的一側(cè)采用電熱膜加熱，并保證所有的加熱熱量均通過該側(cè)傳至平板的另一側(cè)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，測得平板兩側(cè)表面的溫度差為40，單位面積的熱流量為9500 W/m2，試確定該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。,絕熱層,試 件,二、熱對流 - Convection,流體中有溫差 熱對流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo),1、定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象,2、對流換熱：流體與固體壁間存在相對運(yùn)動(dòng),且二者之間存在溫差時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象。,工程上感興趣的是：流體沿一固體表面流動(dòng)換熱的情況,3

9、、對流換熱的特點(diǎn)：(1) 導(dǎo)熱與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程；(2) 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)； 也必須有溫差(3) 由于流體的黏性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層,對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱； 不是基本傳熱方式 ,注：對流換熱與熱對流有區(qū)別 ,5、對流換熱的基本計(jì)算式牛頓冷卻公式（1701）,4、對流換熱的分類,無相變：強(qiáng)迫對流和自然對流,有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱, 熱流量W，單位時(shí)間傳遞的熱量 熱流密度 與流體接觸的壁面面積 固體壁表面溫度 流體溫度 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),q,A,h,形式簡單，內(nèi)涵復(fù)雜 ,6、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對流換熱系

10、數(shù)）, 當(dāng)流體與壁面溫度相差1度時(shí)、每單位壁面 面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量,影響h因素：流速、流體物性、壁面形狀大小等,7、對流換熱熱阻：,例題1-2,一根外徑為0.3m， 壁厚為3mm，長為10m的圓管，入口溫度為80的水以0.1m/s的平均速度在管內(nèi)流動(dòng)，管道外部橫向流過溫度為20的空氣，實(shí)驗(yàn)測得管道外壁面的平均溫度為75，水的出口溫度為78。已知水的定壓比熱為4187J/(kgK)，密度為980kg/m3，試確定空氣與管道之間的對流換熱系數(shù)。,80,78,20,三、熱輻射 - Radiation,1、定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象,物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物

11、體的種 類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同,2、輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞,注：輻射換熱與熱輻射有區(qū)別 ,3、輻射換熱的特點(diǎn),(1) 不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì) 的存在，在真空中就可以傳遞能量(2) 在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能 電磁波能 物體熱力學(xué)能(3) 無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁 波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物 體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量 總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫 (動(dòng)態(tài)平衡),4、黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。 或稱絕對黑體。 黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng),5、斯忒藩-玻爾茲曼定律,黑

12、體向外發(fā)射的輻射能：,實(shí)際物體輻射能力：低于同溫度黑體, 絕對黑體輻射力 黑體表面的絕對溫度（熱力學(xué)溫度） 斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，, 實(shí)際物體表面的發(fā)射率（黑度），01； 與物體的種類、表面狀況和溫度有關(guān),6、輻射換熱系數(shù),兩個(gè)表面之間的輻射換熱量 ：,輻射換熱往往與對流換熱過程聯(lián)系在一起, 小于1的修正因子，它主要考慮輻射表面相對幾何關(guān)系、表面輻射特性等因素,例題1-3,一塊輻射率為0.8的鋼板，面積為1m2，表面溫度為30，試確定單位時(shí)間內(nèi)鋼板所發(fā)出的輻射能。,討論: 本例題計(jì)算的是鋼板對外輻射出去的能量，并不是輻射換熱量。試想如果鋼板所處的環(huán)境溫度也是30，那么鋼板與環(huán)境之間的輻射換熱量

13、是多少呢?,1-3 傳熱過程簡介,一、傳熱過程：兩流體間通過固體壁面進(jìn)行的換熱,傳熱過程通常由導(dǎo)熱、熱對流、熱輻射組合形成,輻射換熱對流換熱熱傳導(dǎo),思考：發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳熱過程,假設(shè)傳熱過程處于穩(wěn)態(tài)：,k越大，傳熱越好。若要增大 k，,h的強(qiáng)化及增加k值的措施是傳熱學(xué)的重要內(nèi)容之一,二、傳熱系數(shù)與傳熱熱阻,傳熱學(xué)研究方法,實(shí)驗(yàn)研究 + 理論分析 + 數(shù)值模擬,通過實(shí)驗(yàn)觀察與測試，深刻認(rèn)識(shí)基本現(xiàn)象與規(guī)律、積累第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料 在實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，采用宏觀和微細(xì)觀相結(jié)合的方法，發(fā)展出能夠正確反映物理現(xiàn)象規(guī)律的數(shù)理模型 采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步揭示物理現(xiàn)象本質(zhì),傳熱學(xué)發(fā)展簡史

14、,18世紀(jì)30年代首先從英國開始的工業(yè)革命促進(jìn)了生產(chǎn)力的空前發(fā)展。生產(chǎn)力的發(fā)展為自然科學(xué)的發(fā)展成長開辟了廣闊的道路傳熱學(xué)這門學(xué)科就是在這種大背景下發(fā)展成長起來的，理論體系不斷完善 發(fā)展-創(chuàng)新三種傳熱方式基本理論的確立經(jīng)歷了各自獨(dú)特的歷程 挑戰(zhàn)-突破,學(xué)習(xí)過程是孕育創(chuàng)新能力的過程,(一) 熱傳導(dǎo),傅里葉被公認(rèn)為導(dǎo)熱理論的奠基人（啟示）,19世紀(jì)初，蘭貝特、畢渥、傅里葉都從固體一維導(dǎo)熱的實(shí)驗(yàn)研究入手開展研究，1804年，畢渥根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了導(dǎo)熱過程的本構(gòu)公式：提高了對導(dǎo)熱規(guī)律的認(rèn)識(shí)，只是粗糙了一點(diǎn),傅里葉在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，十分注重?cái)?shù)學(xué)工具的運(yùn)用，很有特色。1822年發(fā)表了著名的論著：熱的解析理論

15、，成功地創(chuàng)建了導(dǎo)熱理論,在傅里葉之后，導(dǎo)熱理論求解的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，雷曼、卡斯勞、耶格爾、雅各布等人的工作,(二) 對流換熱,流體流動(dòng)的理論是對流換熱理論的前提。1823年納維爾提出的流動(dòng)方程可適用于不可壓縮流體，1845年經(jīng)斯托克斯改進(jìn)為N-S方程，完成了建立流體流動(dòng)基本方程的任務(wù)-求解困難 挑戰(zhàn),1880年雷諾進(jìn)行了著名的雷諾實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)研究,普朗特于1904年提出了著名的邊界層理論、玻爾豪森引入了熱邊界層概念 理論分析的突破,1909-1915年努塞爾獲得了有關(guān)無量綱數(shù)之間的原則關(guān)系，有力地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)研究求解對流換熱問題的進(jìn)展。努塞爾成為發(fā)展對流換熱理論的先驅(qū),近代發(fā)展中，麥克亞當(dāng)、貝爾特、

16、?？颂氐?(三) 輻射換熱,在熱輻射的早期研究中，認(rèn)識(shí)黑體輻射的重要意義并用人工黑體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究對于建立熱輻射的理論具有重要作用,19世紀(jì)初斯忒藩根據(jù)實(shí)驗(yàn)確立了黑體輻射力與溫度的4次方成正比的規(guī)律，后來在理論上為玻爾茲曼所證實(shí),維恩、普朗克、基爾霍夫等相繼提出輻射基本定律,20世紀(jì)初提出角系數(shù)的概念，工程輻射換熱計(jì)算,參考書,傳熱學(xué)章熙民、任澤霈等編著傳熱應(yīng)用與分析羅棣庵編著 Fundamentals of Heat and Mass Transfer F.P. Incropera, D.P. DeWitt熱傳導(dǎo)奧齊西克著對流換熱任澤霈編著數(shù)值傳熱學(xué)陶文銓編著輻射換熱王興安、梅飛鳴編傳熱學(xué)（第四版）楊世銘，陶文銓編著,