《传热学》课程教学大纲.docx
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《传热学》课程教学大纲
《传热学》课程教学大纲
一、课程基本信息
英文名称
HeatTransfer
课程代码
UMEC1003
课程性质
大类基础课程
授课对象
建筑环境与能源应用工程专业本科生
学分
4
学时
72
主讲教师
修订日期
2021.05.22
指定教材
杨世铭、陶文铨合编，《传热学》，高等教育出版社，2006年8月第四版
二、课程目标
（一）总体目标：
《传热学》是研究由温差引起的热能传递规律的科学，是建筑环境与能源应用工程专业的一门基础课程和学位课程。
在制冷、热能动力、机械制造、航空航天、化工、材料加工、冶金、电子与电气和建筑工程等生产技术领域中存在大量的传热问题，课程旨在使学生掌握传热的基本概念、基本原理和计算方法，使学生对热量传递这一普遍存在的现象有理性的认识，并能熟练运用基础知识来思考、分析和解决实际传热问题。
（二）课程目标：
本课程旨在使学生掌握热量传递的三种基本方式及其物理机制，掌握传热基础理论与计算方法；掌握传热学的基本实验，具备分析工程传热问题的能力，能够解决增强传热、削弱传热和温度控制等工程传热问题；了解传热学的前沿知识及其在科学技术领域的应用，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及团队合作意识。
课程目标1：
系统深入学习，掌握传热基础理论与计算方法。
1.1掌握传热的基本概念、理论、机理及影响因素；
1.2掌握热传导、热对流和热辐射三种传热模式的基本公式，能够进行各种工况下传热量的计算，并能对工程传热问题进行描述和分析。
课程目标2：
掌握传热实验，应用传热学知识，解决工程传热问题。
2.1掌握传热学中的实验研究方法，使学生对热量传递这一普遍存在的现象有理性的认识。
2.2根据所学传热理论和实验知识，熟练掌握增强或削弱热能传递过程的方法，能够在工程应用中对热能有效利用、热力设备效率的提高、节能降耗技术等问题从传热学角度进行思考、分析和解决问题。
课程目标3：
培养学生的自主学习意识、团队合作能力、口头和书面表达能力，探索传热学前沿科学知识。
3.1通过课堂分组讨论等方式培养团队合作意识、沟通交流能力和对工程问题进行清清晰表达的能力；
3.2通过课外文献调研并撰写课程报告，提升文献查阅能力和书面表达能力。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系
表1：
课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
课程目标
课程子目标
对应课程内容
对应毕业要求
课程目标1
1.1
第一章绪论；第二章稳态热传导；第五章对流传热的理论基础；第六章单相对流传热的实验关联式；第七章相变对流传热；第八章热辐射基本定律和辐射特性。
毕业要求：
1-1，1-2，1-3,1-4，2-1，2-2。
1.2
第二章稳态热传导；第三章非稳态热传导；第四章热传导问题的数值解法；第五章对流传热的理论基础；第六章单相对流传热的实验关联式；第七章相变对流传热；第九章辐射传热的计算；第十章传热过程分析与换热器的热计算
毕业要求：
1-1，1-2，1-3,1-4，2-1，2-2。
课程目标2
2.1
第二章稳态热传导；第六章单相对流传热的实验关联式；第七章相变对流传热
毕业要求：
4-1，4-2，4-3,4-4。
2.2
第七章相变对流传热；第九章辐射传热的计算；第十章传热过程分析与换热器的热计算
毕业要求：
4-4，5-1。
课程目标3
3.1
在多个教学环节设置课堂分组讨论，培养学生团队合作意识和表达能力。
毕业要求：
9-1，10-1。
3.2
查阅与传热学相关的科研文献，并进行归纳总结，了解前沿科学知识及学科未来的发展趋势，培养学生的创新能力和对科研的兴趣。
毕业要求：
2-3，2-4，10-2。
三、教学内容
第一章绪论
1.教学目标
（1）了解传热的定义；了解传热学的研究内容及其在生活和工程中的应用；
（2）掌握热量传递的三种基本方式及其物理机理；
（3）掌握傅里叶定律、牛顿冷却定律及斯忒藩定律，并能应用这三个定律分析基础传热问题；
（4）了解传热过程的特点以及电-热模拟的作用和意义；
（5）掌握热流密度、热阻和综合传热系数的计算方法。
2.教学重难点
（1）重点：
理解导热、对流和辐射三种传热方式的基本概念、物理机理和它们之间的区别；
（2）难点：
理解热阻的概念，并能应用热阻进行传热问题分析。
3.教学内容
1.1传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用
1.2热量传递的三种基本方式
1.3传热过程和传热系数
4.教学方法
（1）自主学习：
进行课前预习；
（2）讲授法：
相关概念和物理原理；
（3）案例法：
通过大量的工程案例介绍传热学的广泛应用；
（4）讨论法：
课堂围绕“身边的传热现象”进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）试用简练的语言说明导热、对流及热辐射三种热传递方式之间的区别与联系？
（2）什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？
以固体中的导热为例，讨论有哪些情况可能使热流传递方向上不同截面的热流量不相等。
（3）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，握杯子的手会显著地感到热，请分析其中原因。
（4）人体同在25摄氏度的房间中，为什么夏天仍然感觉热，而冬天感觉冷？
完成计算题：
1-2、1-7、1-9、1-10、1-11、1-20。
第二章稳态热传导
1.教学目标
（1）了解傅里叶定律的起源、数学表达形式和适用条件；
（2）掌握导热微分方程的推导过程和定解条件；
（3）掌握平壁、圆筒壁和球壳等简单一维形状物体的稳态导热求解过程及结果；
（4）了解肋片强化传热的原理，掌握肋片导热问题的求解方法；
（5）掌握具有内热源的一维稳态导热问题的求解方法；
（6）了解形状因子法在简单形状多维稳态导热问题的求解应用。
2.教学重难点
（1）重点：
导热微分方程推导；
（2）难点：
肋片效率计算。
3.教学内容
2.1导热基本定律-傅里叶定律
2.2导热问题的数学描写
2.3典型一维稳态导热问题的分析解
2.4通过肋片的导热
2.5具有内热源的一维导热问题
2.6多维稳态导热的求解
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和数学推导；
（3）启发法：
由生活中的常见现象，如“用手触摸同温度的铁和木头，为什么感觉铁更冷”等问题启发学生从传热学的角度展开思考，找寻其中的共同点，引出导热系数的概念。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）发生在一个短圆柱中的导热问题，在哪些情况下可以按一维导热问题来处理？
（2）已知导热物体中某点在x、y、z三个方向上的热流密度分别为qx、qy、qz，如何获得该点的热流密度矢量？
（3）试说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。
（4）扩展表面中的导热问题可以按一维问题处理的条件是什么？
有人认为，只要扩展表面细长，就可以按照一维问题处理，你是否同意这种观点？
（5）完成计算题：
2-8、2-10、2-14、2-18、2-48、2-50、2-51。
第三章非稳态热传导
1.教学目标
（1）了解非稳态导热过程及物理特点；
（2）掌握毕沃数的表达式及物理意义；
（3）掌握集中参数法的适用条件及其在零维导热温度的求解应用；
（4）熟悉典型一维物体的非稳态导热正规状况阶段分析解的简化方式，并掌握图线法和近似拟合公式法等工程计算方法；
（5）了解简单形状多维非稳态导热问题的求解方法。
2.教学重难点
（1）重点：
集中参数法在求解零维问题中的应用及适用条件。
（2）难点：
非稳态导热的求解方法。
3.教学内容
3.1非稳态导热的基本概念
3.2零维问题的分析法—集中参数法
3.3典型一维物体非稳态导热的分析解
3.4简单几何形状物体多维非稳态导热的分析解
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和理论的数学推导；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）什么叫非稳态导热的正规状况阶段或充分发展阶段？
这一阶段在物理过程及数学处理上有什么特点。
（2）什么是“半无限大”的物体？
它的非稳态导热存在正规状况阶段吗？
（3）说明Bi数的物理意义。
Bi->0及Bi->无穷大各代表什么样的换热条件？
（4）完成计算题：
3-10、3-12、3-13、3-15、3-21、3-24。
第四章热传导问题的数值解法
1.教学目标
（1）了解热传导问题数值解法的起源及其作用；
（2）掌握数值解法的基本思想和基本步骤；
（3）掌握建立节点离散方程的热平衡法；
（4）掌握求解离散方程的各种迭代法，以及迭代过程的收敛判据。
2.教学重难点
重点：
用热平衡法建立节点的离散方程；
难点：
求解离散方程。
3.教学内容
4.1导热问题数值求解的基本思想
4.2内节点离散方程的建立方法
4.3边界节点离散方程的建立及代数方程的求解
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和数学推导；
（3）课堂演示：
利用MATLAB软件编程求解离散方程。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）什么是非稳态导热的显式格式？
什么是显式格式中的稳定性问题？
（2）简要说明对导热问题进行有限差分数值计算的基本思想与步骤。
（3）用高斯-赛德尔迭代法求解代数方程时是否一定可以得到收敛的解？
不能得到收敛的解时是否因为初场的假设不合适而造成？
（4）完成计算题：
4-2、4-3、4-6、4-7、4-9、4-10、4-19。
第五章对流传热的理论基础
1.教学目标
（1）了解对流传热的影响因素；
（2）掌握对流传热问题的数学描写；
（3）熟悉热边界的概念，掌握边界层型对流传热问题的数学描写；
（4）掌握普朗特数物理意义；
（5）掌握流体外掠平板的层流对流传热问题的求解方式。
2.教学重难点
（1）重点：
对流传热的机理及影响因素；
（2）难点：
对流传热微分方程组推导及合理简化。
3.教学内容
5.1对流传热概说
5.2对流传热问题的数学描写
5.3边界层型对流传热问题的数学描写
5.4流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和数学推导；
（3）讨论法：
举例生活中常见的热对流现象。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）请说明什么是热边界层？
与速度边界层有何关联？
（2）对流换热问题完整的数学描写应包括什么内容？
既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数学描写有什么意义？
（3）式（5-4）表明，在边界上垂直于壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流传热过程中流体的流动起什么作用？
完成计算题：
5-2、5-3、5-6、5-9、5-11、5-16、5-19。
第六章单相对流传热的实验关联式
1.教学目标
（1）了解物理现象相似的定义以及导出相似特征数的相似分析法和量纲分析法；
（2）了解相似原理指导实验简化的应用；
（3）掌握内部强制对流传热的实验关联式及适用条件，并掌握大温差、短管效应和盘管形状的修正方法；
（4）掌握流体横掠单管、管束的对流换热实验关联式及适用条件；
（5）掌握自然对流传热的物理机制；
（6）熟悉自然对流边界层动量方程和能量方程简化形式，掌握格拉晓夫数的导出方法及其在自然对流传热问题分析中的应用；
（7）掌握大空间和有限空间自然对流的实验关联式及适用条件。
2.教学重难点
（1）重点：
相似原理应用及对流换热准则数确定；
（2）难点：
正确应用各实验关联式求解实际对流传热问题。
3.教学内容
6.1相似原理与量纲分析
6.2相似原理的应用
6.3内部强制对流传热的实验关联式
6.4外部强制对流传热—流体横掠单管、球体及管束的实验关联式
6.5大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和理论的数学推导，对实验关联式的介绍；
（3）讨论法：
课堂围绕“如何强化实际工程应用的对流换热”等问题进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）什么是管内流动入口段和充分发展段？
哪个阶段的对流换热系数高？
为什么？
（2）对于横掠管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排数大于一定值后才与排数无关，试分析其原因。
（3）如果把一块温度低于环境温度的大平板坚直地置于空气中，试画出平板上流体流动及局部表面传热系数分布的图象。
。
（4）虽然努塞尔数与毕沃数的表达式一样，但它们的区别在哪里？
（5）完成计算题：
6-8、6-22、6-30、6-40、6-51。
第七章相变对流传热
1.教学目标
（1）熟悉凝结和沸腾现象，理解凝结和沸腾的传热机理；
（2）掌握层流膜状凝结的分析解；
（3）掌握膜状凝结传热的影响因素；
（4）掌握大容器沸腾传热的实验关联式及适用条件；
（5）掌握沸腾传热的影响因素。
2.教学重难点
（1）重点：
沸腾和凝结传热的影响因素和控制方法；
（2）难点：
层流膜状凝结分析解。
3.教学内容
7.1凝结传热的模式
7.2膜状凝结分析解及计算关联式
7.3膜状凝结的影响因素及其传热强化
7.4沸腾传热的模式
7.5大容器沸腾传热的实验关联式
7.6沸腾传热的影响因素及其强化
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和理论的数学推导，实验关联式介绍；
（3）讨论法：
课堂围绕“烧开水的沸腾现象”、“生活中热管的应用”进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）什么是膜状凝结，什么叫珠状凝结，膜状凝结时热传递过程的主要阻力在哪里？
（2）对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换热情形，分别说明控制热流密度小于临界热流密度及温差小于临界温差的意义，并针对上述两种情形分别举一个工程应用实例
（3）试对比水平管外膜状凝结及水平管外膜态沸腾传热过程的异同。
（4）热管中的传热过程是怎样的？
（5）从换热表面的结构而言，强化凝结换热的基本思想是什么？
强化沸腾换热的基本思想是什么？
（6）完成计算题：
7-2、7-6、7-8、7-15、7-20、7-30。
第八章热辐射基本定律和辐射特性
1.教学目标
（1）掌握黑体、漫射体和灰体的基本概念；
（2）掌握黑体辐射的斯忒藩-玻尔兹曼、普朗克、维恩位移和兰贝特定律；
（3）掌握固体和液体的辐射特性；
（4）掌握基尔霍夫定律，理解实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系；
（5）了解太阳与环境辐射，以及它们在生活中的应用。
2.教学重难点
（1）重点：
黑体辐射的基本定律，实际物体选择性吸收和发射特性。
（2）难点：
基尔霍夫定律的适用条件。
3.教学内容
8.1热辐射现象的基本概念
8.2黑体热辐射的基本定律
8.3固体和液体的辐射特性
8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
8.5太阳与环境辐射
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和理论的数学推导；
（3）案例法：
阐述“温室效应”的产生原理、拓展到蔬菜大棚的应用说明选择性吸收在生活中的应用。
（4）讨论法：
课堂围绕“太阳能集热器的涂层表面应具有什么样的吸收与辐射特性？
”、辐射致冷等问题进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）在定义辐射力时为什么要加上“半球空间”及“全部波长”的说明？
（2）热辐射的本质是电磁波，我们主要研究哪一波段？
（3）黑体的辐射能按空间方向是怎样分布的？
定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？
（4）为什么在定义物体辐射力时需要加上“半球空间”和“全部波长”的说明。
（5）基尔霍夫定律三个层次的适用条件是什么？
（6）说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射传热计算的意义。
（7）完成计算题：
8-6、8-11、8-13、8-17、8-22、8-23。
第九章辐射传热的计算
1.教学目标
（1）理解角系数的定义和基本性质；
（2）掌握角系数的推导和计算方法；
（3）掌握两封闭表面系统的辐射传热计算方法；
（4）理解空间辐射热阻和表面辐射热阻的基本概念，掌握辐射网络法及其在多表面系统辐射传热的应用；
（5）了解气体辐射的过程特点；
（6）掌握强化与削弱辐射传热的方法。
2.教学重难点
（1）重点：
角系数的概念及辐射网络法在辐射传热计算中的应用。
（2）难点：
辐射传热的强化与削弱。
3.教学内容
9.1辐射传热的角系数
9.2两表面封闭系统的辐射传热
9.3多表面系统的辐射传热
9.4气体辐射的特点及计算
9.5辐射传热的控制（强化与削弱）
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和理论的数学推导；
（3）讨论法：
课堂围绕“遮热板在生活中的应用”等问题进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）角系数有哪些性质？
“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下得出的？
（2）实际表面系统与黑体系统相比，辐射换热计算增加了哪些复杂性？
（3）什么是有效辐射？
有效辐射的引入对于表面系统辐射换热的计算有什么作用？
（4）何为表面辐射热阻、空间辐射热阻？
辐射网络法的实际作用你是怎样认识的？
（5）完成计算题：
9-2、9-8、9-20、9-25、9-29、9-31、9-34。
第十章传热过程分析与换热器的热计算
1.教学目标
（1）了解换热器主要型式及在工程技术中的应用；
（2）掌握总传热系数和平均温差的计算方法；
（3）掌握间壁式换热器的设计计算和校核计算；
（4）掌握换热器传热过程强化与削弱的方法。
2.教学重难点
（1）重点：
换热器传热过程强化与削弱的方法。
（2）难点：
换热器的设计和校核计算。
3.教学内容
10.1传热过程的分析和计算
10.2换热器的类型
10.3换热器中传热过程平均温差的计算
10.4间壁式换热器的热设计
10.5热量传递过程的控制（强化与削弱）
4.教学方法
（1）自主学习：
课前预习；
（2）讲授法：
相关定律和理论的数学推导；
（3）讨论法：
课堂围绕“强化传热技术在工业和生活中的应用”等问题进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）对于
及
三种情形，画出顺流与逆流时冷、热流体温度沿流动方向的变化曲线，注意曲线的凹向与
相对大小的关系
（2）在圆管外敷设保温层与在圆管外侧设置肋片从热阻分析的角度有什么异同？
在什么情况下加保温层反而会强化其传热，而加肋片反而会削弱其传热？
（3）什么叫换热器的设计计算？
什么叫换热器的校核计算？
（4）在推导换热器效能的计算公式时在哪些环节引入了推导对数平均温差时提出的四个假定？
（5）完成计算题：
10-2、10-6、10-11、10-15、10-17、10-20。
四、学时分配
表2：
各章节的具体内容和学时分配表
章节
章节内容
学时分配
第一章
绪论
4
第二章
稳态热传导
8
第三章
非稳态热传导
8
第四章
热传导问题的数值解法
6
第五章
对流传热的理论基础
6
第六章
单相对流传热的实验关联式
8
第七章
相变对流传热
8
第八章
热辐射基本定律及物体的辐射特性
8
第九章
辐射传热的计算
8
第十章
传热过程分析与换热器热计算
8
五、教学进度
表3：
教学进度表
周次
日期
章节
名称
内容提要
授课
时数
作业及要求
备注
1
第一章绪论
1.1传热学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用
1.2热能传递的三种基本方式
1.3传热过程和传热系数
1.4传热学的发展简史和研究方法
4
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、理解三种传热方式的机理；2、能熟练应用傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯特藩-玻尔兹曼定律进行简单的传热量计算。
2-3
第二章稳态热传导
2.1导热基本定律-傅里叶定律
2.2导热问题的数学描写
2.3典型一维稳态导热问题的分析解
2.4通过肋片的导热
2.5具有内热源的一维稳态导热
2.6多维稳态导热的求解
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握导热微分方程的推导和应用；2、掌握一维稳态导热问题的求解和分析。
4-5
第三章非稳态热传导
3.1非稳态导热的基本概念
3.2零维问题的分析法—集中参数法
3.3典型一维物体非稳态导热的分析解
3.5简单几何形状物体多维非稳态导热的分析解
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握集中参数法的物理概念及适用条件；2、掌握零维非稳态导热问题的求解和分析。
5-6
第四章热传导问题的数值解法
4.1导热问题数值求解的基本思想
4.2内节点离散方程的建立方法
4.3边界节点离散方程的建立及代数方程的求解
6
作业：
完成教学评价问题。
要求：
建立和求解离散方程。
6-7
第五章对流传热的理论基础
5.1对流传热概说
5.2对流传热问题的数学描写
5.3边界层型对流传热问题的数学描写
5.4流体外掠平板传热层流分析解及1比拟理论
6
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握热边界层的概念；2、掌握比拟理论；3、外掠平板层流传热计算分析。
8-9
第六章单相对流传热的实验关联式
6.1相似原理与量纲分析
6.2相似原理的应用
6.3内部强制对流传热的实验关联式
6.4外部强制对流传热—流体横掠单管、球体及管束的实验关联式
6.5大空间与有限空间自然对流传热的实验关联式
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、运动相似原理推导对流传热问题的相似准则数；2、熟练应实验关联式计算对流传热问题。
10-11
第七章相变对流传热
7.1凝结传热的模式
7.2膜状凝结分析解及计算关联式
7.3膜状凝结的影响因素及其传热强化
7.4沸腾传热的模式
7.5大容器沸腾传热的实验关联式
7.6沸腾传热的影响因素及其强化
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握凝结传热与沸腾传热模式；2、理解热管的传热原理。
12-13
第八章热辐射基本定律和辐射特性
8.1热辐射现象的基本概念
8.2黑体热辐射的基本定律
8.3固体和液体的辐射特性
8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
8.5太阳与环境辐射
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握黑体的基本辐射定律；2、掌握基尔霍夫定律。
14-15
第九章辐射传热的计算
9.1辐射传热的角系数
9.2两表面封闭系统的辐射传热
9.3多表面系统的辐射传热
9.4气体辐射的特点
9.5辐射传热的控制（强化与削弱）
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握角系数的概念；2、熟练应用辐射网络法进行多表面系统的辐射传热计算；3、掌握辐射传热的强化与削弱措施；4.阅读文献了解辐射传热的最新动态。
16-17
第十章传热过程分析与换热器的热计算
10.1传热过程的分析和计算
10.2换热器的类型
10.3换热器中传热过程平均温差的计算
10.4间壁式换热器的热设计
10.5热量传递过程的控制（强化与削弱）
8
作业：
完成教学评价问题。
要求：
1、掌握换热器的设计计算和校核计算
升级会员 