传热学学习要点.docx

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传热学学习要点

传热学

杨世铭陶文铨

〇、文章框架

1绪论

1.1传热学的研究内容及其在科学技术和工程上的应用

1.2吸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

2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典型以为稳态导热问题分析解

2.4通过肋片导热

2.5具有内热源的一维导热问题

2.6多稳态导热的求解

3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

3.4半无限大物体的非稳态导热

3.5简单几何形状物体多维非稳态导热的分析解

4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方法

4.4非稳态导热问题的数值解法

5对流传热的理论基础

5.1对流传热概况

5.2对流传热问题的数学描写

5.3边界层型对流问题的数学描写

5.4流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论

6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大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式

6.6射流冲击传热的实验关联式

7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

7.7热管简介

8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关系

8.5太阳与环境辐射

9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气体辐射的特点及计算

9.5辐射传热的控制（强化与削弱）

9.6综合传热问题分析

10传热过程分析与换热器计算

10.1传热过程的分析计算

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）

11传质学简介

11.1质扩散与斐克定律

11.2对流传质及表面传质系数

一、绪论

1.1传热学的研究内容及其在科学技术和工程上的应用P1

1.1.1传热学的研究内容

传热学就是研究温差引起的热能传递规律的科学。

热力学第二定律指出：

凡是有温差存在的地方，就有热能自发的从高温物体向低温物体传递。

1.1.2传热学中的连续介质假定

传热学的连续介质假定：

将物体中的温度，密度，速度，压力等物理参数都是空间的连续函数。

1.1.3传热学和工程热力学的关系

传热学和工程热力学的区别：

工程热力学是研究处于平衡状态的系统，其中不存在温度差和压力差，而传热学研究的就是温度和压力的差别。

工程热力学不关注时间参数，而传热学与时间密切相关，关注单位时间里传递多少内能。

1.1.4传热学在科学技术各个领域中的应用

（1）强化传热

（2）削弱传热

（3）温度控制

1.2吸能传递的三种基本方式P4

热传导，热对流，热扩散

1.2.1热传导

热传导：

物体各个部分不发生位移时，依靠微观粒子的热运动而产生的热能传递过程，简称导热。

1.2.2热对流

热对流：

流体的宏观流动引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互混掺导致的热量传递过程

1.2.3热辐射

热辐射：

物体通过电磁波来传递能量的方式称为热辐射

1.3传热过程和传热系数P12

传热过程：

热量由壁面一的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称为传热过程。

1.3.1传热方程式

从热流体到壁面高温侧的热量传递

1.3.2传热热阻

l/（Ak）

1.4传热学的发展简史和研究方法P15

1.4.1传热学发展简史

1.4.2世纪后半叶的近代发展

1.4.3传热学的研究方法

1实验测定2理论分析3数值模拟

补充知识

传热学：

研究由温差引起的热能传递规律的科学。

热力学第一定律也就是能量守恒定律。

自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。

热力学第二定律有几种表述方式:

克劳修斯表述：

热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体;

开尔文-普朗克表述不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。

熵表述随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。

热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。

或者绝对零度（T=0K即-273.15℃）不可达到。

二、稳态热传导

2.1导热基本定律——傅里叶定律P33

2.1.1各类物体导热机理

2.1.2温度场

等温面：

同一瞬间相同温度的各个点连成的面成为等温面。

等温线：

在任何一个二维的截面上等温面表现为等温线。

2.1.3导热基本定律

傅里叶定律：

在导热过程中，单位时间内通过给定界面的导热量，正比于垂直该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。

2.1.4导热系数

2.1.5工程导热材料一般分类

2.2导热问题的数学描写P41

根据能量守恒定律和傅里叶定律来建立物体中的温度场应当满足的变化关系式，称为导热微分方程。

导热微分方程是所有导热物体的温度场都应满足的通用方程，对于各个具体的问题，还必须规定相应的时间和边界条件，称为定解条件。

导热微分方程及相应的定解条件构成了一个导热问题完整的数学描写。

2.2.1导热微分方程

描写导热过程共性的数学表达式

2.2.2定解条件

第一类边界条件：

规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件

第二类边界条件：

规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件

第三类边界条件：

规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h及周围流体的温度t，称为第三类边界条件。

2.2.3热扩散率的物理意义

以物体受热升温的情况为例作为分析。

在物体受热升温的非稳态导热过程中，进入物体的热量沿途不断地被吸收而当地温度升高，此过程持续到内部各点温度全部扯平为止。

a=λ/pc

2.2.4傅里叶定律及导热微分方程的适用范围

基于热扰动的传递速度是无限大的假定之上的，对一般工程技术中发生的非稳态导热问题，热流密度不是很高，过程作用的时间足够长，过程发生的尺度也足够大

不适用情况：

（1）导热物体温度接近0K

（2）当过程的作用时间极短

（3）当过程发生的空间尺度极小

2.3典型一维稳态导热问题分析解P46

一维导热：

物体温度仅在一个方向变化

2.3.1通过平壁的导热

1单层平壁

2多层平壁

2.3.2通过圆筒壁的导热

1单层圆筒壁

2多层圆筒壁

2.2.3通过球壳的导热

2.3.4带第二类，第三类边界条件的一维导热问题

以电熨斗底板为例

2.3.5变截面或变导热系数的一维问题

2.4通过肋片导热P57

肋片是依附于基础表面上的扩展面，+通过肋片，有效的增加换热面积

2.4.1通过等截面直肋的导热

（1）物理模型。

将所研究的问题简化为一维稳态导热问题

（2）数学描写。

（3）分析求解。

（4）解的应用

2.4.2肋效率与肋面总效率

（1）等截面直肋的效率。

P62几个公式

（2）其他形状肋片的效率。

P63几个公式

2.4.3肋片的选用与最小重量肋片

肋片增大了导热面积但是同时增加了导热阻力，因此需要选择合适的大小。

2.4.4接触热阻

肋片与管子接触会有空隙，这就是附加的接触热阻。

2.5具有内热源的一维导热问题P70

上述问题都是讨论一维无内热源的导热问题。

2.5.1具有内热源的平板导热

2.5.2具有内热源的圆柱体导热

2.6多稳态导热的求解P76

2.6.1稳态导热问题求解方法简述

（1）分析解法。

分离变量法，积分法。

（2）数值解法。

通过计算机获得导热问题的数值解方法。

（3）模拟方法。

通过电势的传递规律进行研究

2.6.2计算导热量的形状因子法

形状因子法：

通过平壁、圆筒壁、球壁及其他变截面以为问题导热量的计算式总结出一个方程：

2.6.3求解稳态导热分离变量法举例

三、非稳态热传导

3.1非稳态导热的基本概念P112

物体的温度随时间变化的导热过程称为非稳态导热。

根据物体温度随时间的推移而变化的特性。

3.1.1非稳态导热过程的特点及类型

根据物体温度随时间的推移而变化的特性可以分两类：

1、物体的温度随时间的推移而逐渐趋近于恒定值；

2、物体的温度随时间的周期性变化。

本书不讨论周期性非稳态导热。

3.1.2导热微分方程解的唯一性定律

导热微分方程式连同初始条件以及边界条件，完整的描写了一个特定的非稳态导热问题。

非稳态导热问题的求解，实质上是规定的初始条件及边界条件下求解导热微分方程式。

3.1.3第三类边界条件下Bi数对平板中温度分布的影响

无量纲数一般被称为特征数，习惯上又被称为准则数。

3.2零维问题的分析法——集中参数法P117

当固体内部导热热阻远小于其表面的换热热阻时，任何时刻固体内部的温度都趋于一致，以致可以认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下。

这种忽略物体内部导热热阻的简化分析方法称为集中参数法。

比如测量变化着的温度的热电偶。

3.2.1集中参数法温度场分析解

各个公式P118

3.2.2导热量计算式、时间常数与傅里叶数

1导热量计算公式。

2时间常数。

3傅里叶数的物理意义。

傅里叶数Fo，意义为两个时间间隔相除得到的无量纲时间。

3.2.3集中参数法的适用范围及应用举例

当Bi很小时可以采用集中参数法。

小于等于0.1

3.3典型一维物体非稳态导热的分析解P123

所谓的一维，是指：

对平板，温度仅延厚度方向变化；对圆柱和球体，温度仅沿半径方向变化。

3.3.1三种几何形状物体的温度场分析解

1平板

2圆柱

3球

3.3.2非稳态导热正规状况阶段分析解的简化

1非稳态导热正规状况阶段的物理概念与数学含义

2正规状况阶段三个分析解的简化表达式

3一段时间间隔内所传导的热量计算式

3.3.3非稳态导热正规状况阶段的工程计算方法

1图线法

2近似拟合公式法

3.3.4分析解应用范围的推广及Fo、Bi对过程影响的讨论

3.4半无限大物体的非稳态导热P133

半无限大物体是指向上下无限延伸，并且在每一个与x坐标垂直的界面物体的温度都相等。

可以看做是一维平板的一种特殊情况。

3.4.1三种边界条件下半无限大物体温度场的分析解

这种状况的三类边界条件

1温度突然变化到tw，并保持恒定

2受到恒定的热流密度加热

3与温度为t无穷的流体进行热交换

3.4.2导热量计算式

P135

3.4.3分析解的讨论

3.5简单几何形状物体多维非稳态导热的分析解P138

在多维导热问题中，几种简单几何形状物体的非稳态导热问题的分析解，可以用几个相应的一维非稳态导热分析解相乘得出，成为乘积解法。

3.5.1获得无量纲温度场的乘积解法

P138

3.5.2二维问题的证明

P140

3.5.3导热量的计算

P142

四、热传导问题的数值解法P162

4.1导热问题数值求解的基本思想P162

4.1.1基本思想

对物理问题进行数值求解的基本思想可以概括为：

把原来在时间空间坐标系中的连续的物理量的场，如导热物体的温度场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求的物理量的值，。

这些离散点上的被求物理量的值的集合成为该物理量的数值解。

4.1.2导热问题数值求解基本步骤

1建立控制方程及定解条件

2区域离散化

3建立节点物理量的代数方程

4设立迭代初场

5求解代数方程组

4.2内节点离散方程的建立方法P165

建立节点离散方程的方法有泰勒级数展开法，及热平衡法两种。

4.2.1泰勒级数展开法

4.2.2热平衡法

对每个节点所代表的元体用傅里叶导热定律直接写出其能量表达式。

4.3边界节点离散方程的建立方法P167

4.3.1边界节点离散方程的建立

第一类边界问题直接求解，二三类则补充相应的未知量的代数方程（如温度）

4.3.2处理不规则区域的阶梯型逼近法

当计算区域中出现曲线边界或者倾斜的边界时，常常用阶梯型折线代替真实边界，然后再用上述方法建立离散方程。

4.3.3求解代数方程的迭代法

直接解法：

通过有限次运算获得代数方程的精确解方法。

迭代法：

在迭代法中先对要计算的场做出假设，在迭代计算过程中不断改进，直到计算前的假定值与计算后的结果相差小到允许值为止。

1高斯-赛德尔迭代法

2迭代过程是否以收敛的依据

3迭代过程能否收敛的判据

4.4非稳态导热问题的数值解法P174

非稳态导热与稳态导热的主要差别在于控制方程多了一个非稳态项，而其扩散项的离散方法和稳态导热一样的。

4.4.1时间-空间区域的离散化

4.4.2一维平板非稳态导热的显示格式

4.4.3非稳态导热方程的隐式格式

4.4.4边界节点的离散方程

4.4.5一维平板非稳态导热显示格式离散方程组及稳定分析

五、对流传热的理论基础P197

5.1对流传热概况

5.1.1对流传热的影响因素

1流体流动起因

2流体有无相变

3流体的流动状态

4换热表面的几何因素

5流体的物理性质

5.1.2对流传热现象的分类

1有相变

（1）混合对流

（2）强制对流

①内部流动

A圆管内强制对流传热

B其它形状截面管道内的对流传热

②外部流动

A外掠平板的对流传热

B外掠单根圆管的对流传热

C外掠圆管管束的对流传热

D外掠其他截面形状柱体的对流传热

E射流冲击传热

（3）自然对流

①大空间自然对流

②有限空间自然对流

2无相变

（1）沸腾传热

①大容器沸腾

②管内沸腾

（2）凝结传热

①管外凝结

②管内凝结

5.1.3对流传热的研究方法

1分析法

2实验法

3比拟法

4数值法

5.1.4如何从解得的温度场来计算表面传热系数

5.2对流传热问题的数学描写

对流问题完整的数学描写包括对流传热微分方程组以及定解条件，牵着包括质量守恒，动量守恒以及能量守恒这三大守恒定律的数学表达式。

5.2.1运动流体能量方程的推导

1简化假设

2微元体能量收支平衡的分析

3几点讨论

5.2.2对流传热问题完整的数学描写

1控制方程式

2定解条件

5.3边界层型对流问题的数学描写

5.3.1流动边界层及其厚度的定义

1流动边界层及其厚度的定义

2流动边界层内流态

3流动边界层内的动量方程

5.3.2热边界层及热边界层能量方程

1热边界层及厚度定义

2热边界层内的能量方程

5.3.3二维、稳态边界层型对流传热问题的数学描述

5.4流体外掠平板传热层流分析解及比拟理论

5.4.1流体外掠等温平板传热的层流分析解

5.4.2特征数方程

努赛尔数Nu

5.4.3普朗特数的物理意义

普朗特数表征了流动边界层与热边界层的相对大小。

5.4.4比拟理论的基本思想

比拟理论：

利用两个不同物理现象之间在控制方程方面的类似性，通过测定其中一种现象的规律而获得另一种现象的基本关系的方法。

如测电流推断热流。

5.4.5比拟理论的应用

六、单相对流传热的实验关联式

6.1相似原理与量纲分析

6.1.1物理现象相似的定义

6.1.2相似原理的基本内容

6.1.3导出相似特征数的两种方法

6.2相似原理的应用

6.2.1应用相似原理指导实验的安排及试验数据的整理

6.2.2应用相似原理指导模化实验

6.2.3应用特征数方程应注意之点

6.2.4对实验关联式准确性的正确认识

6.3内部强制对流传热的实验关联式

6.3.1管槽内强制对流流动与换热的一些特点

6.3.2管槽内湍流强制对流传热关联式

6.3.3管槽内层流强制对流传热关联式

6.3.4微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热简介

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

6.4.1流体横掠单管的实验结果

6.4.2流体外掠球体的实验结果

6.4.3流体横掠管束的实验结果

6.5大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式

6.5.1自然对流传热现象的特点

6.5.2自然对流传热的控制方程与相似特征数

6.5.3大空间自然对流传热的实验关联式

6.5.4有限空间自然对流传热的实验关联式

6.5.5混合对流简介

6.6射流冲击传热的实验关联式

6.6.1单个圆喷嘴射流的流场结构及局部换热强度的分布特点

6.6.2单个圆喷嘴射流平均传热特性的实验关联式

6.6.3单个狭缝喷嘴射流平均传热特性的实验关联式

七、相变对流传热

7.1凝结传热的模式

7.1.1珠状凝结与膜状凝结

7.1.2凝结液构成了蒸汽与壁面间的主要热阻

7.1.3膜状凝结是工程设计的依据

7.2膜状凝结分析解及计算关联式.

7.2.1努赛尔的蒸汽层流膜状凝结分析解

7.2.2竖直管与水平管的比较及实验验证

7.2.3湍流膜状凝结

7.3膜状凝结的影响因素及其传热强化

7.3.1膜状凝结的影响因素

7.3.2膜状凝结的强化原则和技术

7.4沸腾传热的模式

7.4.1大容器饱和沸腾的三个区域

7.4.2临界热流密度机器工程意义

7.4.3气泡动力学简介

7.5大容器沸腾传热的实验关联式

7.5.1大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式

7.5.2大容器饱和沸腾临界热负荷计算式

7.5.3大容器饱和液体膜态沸腾传热计算

7.6沸腾传热的影响因素及其强化

7.6.1影响沸腾传热的因素

7.6.2强化沸腾传热的原则技术

7.7热管简介

7.7.1热管的工作原理

7.7.2热管壳体材料与工质之间的相容性

7.7.3热管中各个传递环节的热阻分析

八、热辐射基本定律和辐射特性

8.1热辐射现象的基本概念

8.1.1辐射定义及区别于导热对流的特点

8.1.2从电磁波角度描述热辐射的特性

8.2黑体热辐射的基本定律

8.2.1斯忒潘·玻耳兹曼定律

8.2.2普朗克定律

8.2.3兰贝特定律

8.3固体和液体的辐射特性

8.3.1实际物体的辐射力

8.3.2实际物体的光谱辐射力

8.3.3实际物体的定向辐射强度

8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射关系

8.4.1实际物体的吸收比

8.4.2灰体的概念及其工程应用

8.4.3吸收比与发射率的关系——基尔霍夫定律

8.4.4温室效应

8.5太阳与环境辐射

8.5.1太阳常数

8.5.2太阳能闯过大气层时的削弱

8.5.3环境辐射

8.5.4部分物体对太阳能的吸收比

九、辐射传热的计算

9.1辐射传热的角系数

9.1.1角系数的定义及计算假定

9.1.2角系数的性质

9.1.3角系数的计算方法

9.2两表面封闭系统的辐射传热

9.2.1封闭腔模型及黑体表面组成的封闭腔

9.2.2有效辐射

9.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热

9.3多表面系统的辐射传热

9.3.1两表面化热系统的辐射网格

9.3.2多表面封闭系统网格法求解的实施步骤

9.3.3三表面封闭系统的两种特殊情形

9.3.4多表面封闭系统辐射传热计算的几点说明

9.4气体辐射的特点及计算

9.4.1气体辐射的特点

9.4.2光谱辐射能在气层中的定向传递

9.4.3平均射线程长的计算

9.4.4水蒸气，二氧化碳发射率，吸收比的经验确定突显

9.4.5气体与黑体包壳间的辐射传热计算

9.5辐射传热的控制（强化与削弱）

9.5.1控制物体表面间的辐射传热方法

9.5.2遮热板的原理及其应用

9.6综合传热问题分析

9.6.1测定炉膛辐射热流密度简易方法的原理分析

9.6.2遮热罩抽气式热电偶为什么能减少气体温度的测量误差

9.6.3辐射传热系数

十、传热过程分析与换热器计算

10.1传热过程的分析计算

10.1.1通过平壁的传热过程计算

10.1.2通过圆筒壁的传热过程计算

10.1.3通过肋壁的传热过程计算

10.1.4临界热绝缘直径

10.2换热器的类型

10.2.1换热器的分类

10.2.2间壁式换热器的主要形式

10.2.3提高换热器紧凑型的途径

10.3换热器中传热过程平均温差的计算

10.3.1简单顺、逆流换热器的平均温差计算

10.3.2其他复杂布置时平均温差计算

10.3.3不同流动布置形式的比较

10.4间壁式换热器的热设计

10.4.1两种类型的设计和两种设计方法

10.4.2换热器热设计平均温差法

10.4.3换热器热设计的效能—传热单元数法

10.4.4换热器的污垢热阻

10.4.5关于换热器的补充说明

10.5热量传递过程的控制（强化与削弱）

10.5.1强化传热问题概说

10.5.2强化传热技术分类

10.5.3强化单相对流传热技术理论进一步探讨

10.5.4热阻分离法

10.5.5隔热保温技术

十一、传质学简介

11.1质扩散与斐克定律

11.1.1混合浓度的表示方法

11.1.2质扩散菲克定律及典型扩散过程

11.2对流传质及表面传质系数

11.2.1对流传质表面传质系数

11.2.2对流传热与传质的类比