热工期末试卷(8)

1第九章小结一、重点再现1、傅里叶定律傅里叶定律是导热的基本定律：在数值上，各向同性均质的导热物体中，通过某导热面的热流密度正比于该导热面上的温度梯度，即gradttnqn式中“-”号表示热流方向与温度梯度的方向相反。2、导热微分方程及定解条件概念导热微分方程是基于能量守恒定律和导热基本定律得出的。直角坐标系下，各向同性的连续均匀介质且物性参数为已知常数时，三维、有内热源、非稳态导热微分方程的一般表达式为222222ttttccxyz具体情况可在上式基础上简化，如稳态导热，0t；无内热源，0Φ；最简单的导热微分方程是无内热源的一维稳态导热微分方程，即22d0dtx。导热微分方程仅是对导热物体内部温度场分布规律的描述，在求解具体问题时，还必须结合反映实际导热情况特点的单值性条件，这些单值性条件即称为定解条件。定解条件包括时间条件（常用初始条件）和空间条件（边界条件），因几何条件和物理条件已在微分方程中体现。边界条件根据给定参数的不同，又可分为第I、第II和第III类边界条件。由导热微分方程及相应的定解条件，即构成了导热问题完整的数学描述，即数学模型。3、一维稳态导热、热阻通过无限大平壁、无限长圆筒壁（无内热源、第一类边界条件）的一维稳态导热计算是本章的重点之一，可以利用微分方程和边界条件求解，也可以由傅立叶定律式直接积分求解。前一种方法是求解导热问题的一般方法，可用于任意导热问题的求解；而后一种方法只能求解无内热源、第一类边界条件的一维稳态导热。热阻，是根据热量传递规律与电学中欧姆定律的类比得出的，“热流相当于电流，温差相当于电位差，热阻相当于电阻。根据电阻串、并联的原理，应用热阻网络图能够使计算多层物体及复合体的导热问题变得简单。但需要特别注意的是:热阻网络分析只适用于无内热源、定壁温的一维稳态导热问题，对于其他一维稳态导热、非稳态导热及多维导热问题均不适用。4、非稳态导热、集总参数法在非稳态导热问题中，物体内的温度场不仅随空间变化，而且还是时间的函数，求解方法有集总参数法、数值解法、分析解法或诺谟图法等。集总参数法是本章非稳态导热问题的重点，使用时应注意以下几点：（1）只有满足Bi≤0.1或BiV≤0.1M条件的非稳态导热问题，才可以用集总参数法求解；（2）一般情况下，Bi≠BiV（只有无限大平壁相等）；（3）如果用Bi作为判别条件，定型尺寸L为从绝热面到对流换热表面的垂直距离（两面换热的无限大平壁：壁厚的一半；单面换热的无限大平壁：整个壁厚；无限长圆柱体和球：半径）；（4）如果用BiV作为判别条件，定型尺寸L=V/A；（5）如果用式)FoBiexp(VV0计算温度场，注意BiV和FoV中L=V/A。计算从0到时刻通过物体传热表面传递的总热量Qτ用以下公式2dcVhAhAdhAdΦQexp00001exp0cVhAhAcVhAcVhAcVexp10第十章小结一、重点再现1、对流换热的基本概念、边界层对流换热是流动的流体与固体壁面间进行热交换的方式。由于边界层的存在，使得边界层的形成和发展过程对对流换热的影响很大：在层流边界层内，热流传递只能依靠导热；在过渡流及紊流边界层内，由于有层流底层存在，在层流底层也同样需要依靠导热传递热量，而在其他区域，热量传递主要通过热对流。由于对流换热过程中导热和对流共同起作用，因此，对流换热不是基本的传热方式，而属于复合换热。对流换热的计算公式为牛顿冷却公式hAt式中，A为对流换热面积，t为对流换热温差，h为对流换热系数。由于对流换热面积及对流换热温差都比较容易确定，因此，研究对流换热主要是研究对流换热系数。因此，本章的研究重点集中在如何求h上。要求了解速度边界层和热边界层的形成发展过程及其特点。2、相似理论相似理论是用来指导模型实验，并将模型实验结果推广应用于相似现象的基本理论。相似理论共包括三个定理：（1）相似性质：两个相似的现象，它们的同名相似准则数必定相等（2）相似准则间的关系：(,,)NufRePrGr（3）判别相似的条件：凡同类现象，单值性条件相似，同名的已定准则数相等，现象必定相似。根据上述相似定理，可以指导实际的模型实验，即（1）实验时，测量各相似准则中包含的全部物理量（2）将实验结果整理成准则关联式（3）将实验结果推广应用到相似的现象：在保证模型与原型现象的单值性条件相似，而且同名的已定准则相等时，就保证了模型实验与实际实验的相似性，这样在模型实验得到的准则数就可应用于实际。3、单相流体强迫对流换热由于对流换热的复杂性，很难理论求解，因此实验方法是研究对流换热的主要方法。通过相似理论指导下的模型实验，可以得到各种对流换热情况下的准则方程，根据准则方程式，即可求得对流换热系数。单相流体对流换热应根据流动状态选择相应的准则实验关联式，并注意使用条件以及定性温度、定型尺寸、特征速度等的规定，因为同一现象对流换热的准则方程不是唯一的。教材例10.1就是采用了另外的管内强迫对流换热公式，以下是采用教材公式（10.17a）的计算过程，注意有些查表得到的参数不完全相同。例题1某换热器中，冷却水以2m/s的平均速度流经内径为20mm的长管道，其进出口温3度分别为20C和60C。设铜管内壁的平均温度为90C。试计算冷却水侧的对流换热系数h。解首先计算Ref，根据Ref值判断管内流态定性温度：fff11(+)(2060)4022tttC，特征速度：um=2m/s，定型尺寸：L=0.02m查附表10得：/sm10659.026f，管内水流的雷诺数为46fmf10＞6069810659.002.02ReLu计算知管内为紊流，应选用公式（10.20），由附表10查得其他物性参数如下：s)kg/(m1015.3,s)kg/(m1054.6,31.4Pr,K)W/(m634.04w4fff由题意知：本题属于加热液体，w90tC，0837.11015.31054.611.04411.0wftc又因为管道为长直管，故cl=1，cR=1，将上述所有参数代入式（10.20）858.2990837.131.460689023.0PrRe023.04.08.04.0f8.0ffRltcccNu)]KW/(m[5.950502.0634.0858.2992ffLNuh第十一章小结一、重点再现1、热辐射的基本概念（1）热辐射的本质和特点本质：热辐射是辐射的一部分.是由于物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波，具有显著的热效应。特点（与导热和对流相比的不同）：不依靠物质的接触（无论有无介质、相隔多远）;从发射表面到接收表面辐射传热伴随着能量形式的两次转化；只要物体的温度T＞0K，就能不断向外辐射热量。因此低温物体也能向高温物体辐射热量。（2）吸收比（率）α、反射比（率）ρ和透射比（率）τ物体对外界辐射来的热量具有吸收、反射和透射的能力。分别用吸收比、反射比和透射比反映物体相应能力的大小。黑体（α=1）、白体（ρ=1）和透明体（τ=1）都是假想的理想物体。（3）辐射力和有效辐射辐射力E—单位时间内、单位辐射面积向其上半球空间所发射的全波长的辐射能总量(能流密度)有效辐射J—单位时间离开单位表面的总辐射能。包括自身辐射的能量和反射辐射能量。2、热辐射的基本定律热辐射的基本定律：斯蒂芬-波尔兹曼定律、普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定律。其中，斯蒂芬-波尔兹曼定律又称四次方定律，它给出了黑体辐射力Eb与温度的关系；普朗克定律则揭示了黑体的单色辐射力与波长和温度的关系，它反映了热辐射的光谱特性；维恩位移定律则是从普朗克定律导出的，它给出了光谱辐射力达到最大时波长与绝对温度的关系；基尔霍夫定律则揭示了实际物体（工程温度以下的漫灰表面）发射率（黑度）ε与吸收率α相等的关系。特别注意基尔霍夫定律的适用条件是工程温度以下的漫灰表面，如对于太阳辐射，实际物体的黑度和吸收率不相等。43、角系数（1）定义表面1发出的辐射能中落到表面2上的能量与表面1发出的总辐射能的比值称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2。同理也可定义表面2对表面1的角系数X2,1。在两个漫灰表面温度均匀、发射率均匀、反射率均匀、投射辐射也均匀的条件下，角系数为一个纯几何参数，它仅与物体的形状、大小、距离和位置有关。（2）特性相对性（又称互换性）；完整性和分解性。（3）确定方法：角系数可利用角系数定义直接判断，也可用积分法、查曲线图、或代数法（利用角系数特性和已知角系数求解）等方式获得，要求重点掌握利用角系数定义直接判断、查曲线图和代数法。4、黑体和灰体间的辐射换热（1）热阻网络图画辐射换热热阻网络图（热路图）的原则：对于黑体，表面热阻为0，对于灰体，表面热阻＞0；任意两表面间辐射换热都有空间热阻。所以两黑体辐射换热热阻网络图只有一个空间热阻；两灰体辐射换热热阻网络图各有一个表面热阻，还有一个空间热阻（如图11.16）；一个黑体和一个灰体辐射换热热阻网络图有一个空间热阻，另在灰体表面还有一个表面热阻。(2)辐射换热计算重点掌握式（11.21），该式适用于任意两表面间的辐射换热计算，当两辐射表面均为黑体时，121，式（11.21）变为式（11.18）；对于不同的辐射换热情况，可对式（11.21）进行相应的简化。5、遮热板在两辐射表面之间放置黑度很小的薄板来遮挡辐射热，称为遮热板。未加遮热板时，两个物体间的辐射热阻为两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻。加了遮热板后，在不考虑遮热板导热热阻的情况下，将增加两个表面辐射热阻和一个空间辐射热阻（遮热板本身的导热热阻忽略不计）。因此总的辐射热阻增加，物体间的辐射传热量减少。这就是遮热板的工作原理。如果遮热板表面的性质与原辐射物体表面的性质相同，则在两块大平行平板间插入n块发射率相同的遮热板（薄金属板）时的辐射传热热流量为无遮热板时辐射传热热流量的1/(1)n。遮热板黑度越小，表面热阻越大，遮热效果越好。第十二章小结一、重点再现1、复合传热与传热过程两种或两种以上基本传热方式同时存在的传热过程称为复合传热过程。对流换热、辐射换热课件中例题涉及的换热现象、以及传热过程等都是复合传热。工程上认为各种换热方式互不干扰，分别计算后再合成。复合传热只要求掌握概念。冷、热流体通过固体壁面传递热量的过程称为传热过程。传热过程的传热系数是单位面积传热热阻的倒数，它包括表面对流换热和导热，是一个综合传热系数。传热系数是表征传热能力大小的参数，k越大，表示该传热系统的传热能力越强。重点要求掌握大平壁的传热过程计算。2、传热的增强和削弱根据传热过程的计算式)(21ffttkAtkAΦ，当流体温差一定的情况下，增加传热系数（即减小传热热阻）和增大传热面积均可以起到增强传热的目的。反之，减小传热系数和减小传热面积均能够起到削弱传热的目的。在实际工程应用中，通常采用在h较小的一侧增加肋片的方式来增大传热面积，减小传热热阻，进而起到增强传热的目的。而对于削弱传热，通常采用增加5保温层的方式来增加传热热阻，减小热传递。但在给直径较小的管道包裹保温层时，需注意保温层的外径应大于临界热绝缘直径cd，否则增加保温层非但不能够削弱传热，反而会增强传热。3、平均温差冷热流体在换热器中进行热交换时，冷热流体的温差沿程发生变化，根据热平衡原理，可以推导出冷热流体的平均温差为对数平均温差，按下式计算maxminmmaxminlnttttt上式对顺流和逆流都适用，maxt是换热器进、出口温差中较大者，而mint是换热器进、出口温差中较小者。但要注意，顺流和逆流时换热器进、出口温差的具体含义不同。其他复杂流的对数平均温