传热学-导热部分

1传热学梳理导热部分21.传热学定义传热学是研究热量传递过程规律的一门科学。2.传热的动力——温度差3.三种基本传热方式导热、对流、辐射或热传导、热对流、热辐射注意：对流换热、辐射换热都不是基本传热方式31．传热的基本方式说法正确的是。A．导热、对流和辐射B．导热、对流换热和辐射C．热传导、热对流和热辐射D．导热、对流换热和辐射换热答案：A、C42．夏季在维持20℃的室内工作时一般穿单衣感到舒适，而冬季在保持20℃的室内工作时却必须穿绒衣才觉得舒适，这主要是因为。A．冬季和夏季人的冷热感觉不一样B．在室内冬季人周围物体（墙体）的温度低于夏季人周围物体（墙体）的温度C．冬季房间的湿度小于夏季房间的湿度D．冬季房间的风速大于夏季房间的风速答案：B53．减少保温瓶的散热，将瓶胆的两层玻璃之间抽成真空，镀成镜面，可以减少。A．辐射换热散热B．导热散热C．对流散热D．对流换热散热和辐射换热散热答案：D6第一章导热理论基础1.1导热基本概念1.2傅里叶定律1.3导热系数1.4导热微分方程1.5导热过程的单值性条件71、导热定义：物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。2、导热机理：气体：分子不规则热运动；介电体：晶格振动金属：电子相互作用和振动；液体：晶格振动。2、特点：导热是物质的属性，可在固体、液体及气体中发生；单纯的导热只发生在固体中。81.1导热基本概念1、温度场1）定义：指某一时刻空间所有各点温度分布的总称。（时间、空间）2）表示：（1）稳态温度场（2）一维稳态温度场（3）二维稳态温度场,,,tfxyz,,tfxyztfx,tfxy92、等温面与等温线1）特点：不相交2）作用：描述温度场3、温度梯度1）定义：自等温面上某点到另一个等温面，以该点法线方向为方向，数值等于该点法线方向的温度变化率的向量，称为温度梯度，用gradt表示，正向朝着温度增加的方向。102）温度梯度表示（1）定义式：（2）其他表示：在直角坐标系中：（3）温度降度：－gradttgradtnntttgradtijkxyz111.2傅里叶定律傅里叶1822年提出：傅里叶（J.Fourier）定律W/m21)在直角坐标系中的表示xtqxytqyztqzqgradt适用条件:均匀的各向同性材料。121.3导热系数（热导率）1、导热系数的定义式2、特性导热系数是物质的一个重要热物性参数；数值表征物质导热能力的大小。3、导热系数的影响因素λ＝f（种类，温度，湿度，压力，密度等）在一定温度范围内，λ＝λ0（1+bt）gradtqW/m℃134、各种物质的导热系数1）气体的导热系数0.006～0.6W/m℃•气体导热是由分子的热运动和相互碰撞时所发生的能量传递。（1）除非压力很高或很低,λ与压力无关。（2）温度升高，λ增大。•混合气体的λ，只能用实验方法确定。常温下：空气λ=0.025W/m℃142）液体的导热系数0.07~0.7W/m℃（1）非缔合液体或弱缔合液体，温度升高，λ下降；强缔合液体，相反。（2）压力升高，λ增大。20℃水：λ=0.60W/m℃120℃水：λ=0.69W/m℃153）金属的导热系数12～418W/m℃•纯金属：t升高，λ减小；•金属的导热与导电机理一致；•大部分合金：t升高，λ增大。银的导热系数最大，下来是铜、金、铝纯铜（紫铜）λ=387W/m℃黄铜（70％Cu,30％Zn）λ=109W/m℃164）非金属（介电体）的导热系数•建筑材料和隔热保温材料0.025～3.0W/m℃•凡平均温度不高于350℃，导热系数不大于0.12W/m.K的材料称为保温材料。•多孔材料的λ受湿度影响很大。干砖λ=0.35W/m℃,湿砖λ=1W/m℃174.按照导热机理，水的三种状态下的导热系数最小。A．冰B．液态水C．水蒸气D．冰水混合物答案：C2.20.60.024185.凡平均温度不高于350℃，导热系数不大于W/m.K的材料称为保温材料。A．0.2B．0.12C．0.02D．0.18答案：B196．冬天时节，棉被经过白天晾晒，晚上人盖着感觉暖和，是因为。A．棉被中蓄存了热量，晚上释放出来了B．棉被内表面的表面传热系数减小了C．棉被变厚了，棉被的导热系数变小了D．棉被外表面的表面传热系数减小了答案：C20第三节导热微分方程式一、目的：导热微分方程式求解温度场确定热流通量二、假设模型：1、连续介质；2、各向同性；3、λ、c、ρ均为已知；4、内热源qvW/m3吸热为正，放热为负21三、基础：能量守恒定律(微元体，d时间)[导入与导出净热量Ⅰ]＋[内热源的发热量Ⅱ]＝[内能增加Ⅲ]22二）导热微分方程结论•当物性参数λ、、c均为常数时，简化为Vttttcqxxyyzz＝＋222222=()+ccvqttttxyz温度随空间变化温度随时间变化内热源项232vqtatc其中ac2222222xyz拉普拉斯运算符——热扩散系数（导温系数）m2/s；表征物体被加热或冷却时，物体温度趋于均匀一致的能力。注：运动粘滞系数m2/s；24三）讨论1、物性参数为常数，无内热源时2、稳态温度场222222ttttaxyz2222220Vqtttxyz222222=()+cvqttttaxyz253、无内热源的稳态温度场2222220tttxyz4、一维无内热源稳态温度场220dtdx20t或2222222xyz其中拉普拉斯运算符222222=()+cvqttttaxyz265、一维无内热源柱坐标：6、一维无内热源球坐标：1ttcrrrr221ttcrrrr222222=()+cvqttttaxyz27第四节导热过程的单值性条件•单值性条件：导热微分方程式确定唯一解的附加补充说明条件。•导热过程的完整数学描述：导热微分方程式＋单值性条件28一、几何条件：几何形状与大小例如：大平板壁长圆柱体二、物理条件：物理特征：物性参数pc，，等0x12rrr29三、时间条件：时间上过程进行的特点。初始条件：（稳态导热无时间条件）四、边界条件：说明物体边界上过程进行的特点，反映过程与周围环境相互作用的条件。00,0ttx301、第一类边界条件：•已知任何时刻物体边界上的温度值表示为：稳态非稳态Wtconst()WtfsWtt31•举例：无限大平壁1Wt2Wtx001xWtt2xWtt322、第二类边界条件：•已知任何时刻物体边界上的热流密度值。表示为：qs＝qw或稳态qw＝const非稳态qw＝f(τ)wsqtn33举例：•边界面绝热肋片：•肋基•肋端（绝热）0stn0oxqtx0xltxl343、第三类边界条件：•已知边界面周围物体的温度和h表示为稳态h＝consttf＝const非稳态h＝f(τ)tf＝f(τ)fsqhttfssthttn－ft或357.物性参数为常数的一圆柱导线，通过的电流均匀发热，导线与空气间的表面传热系数为定值，建立导线的导热微分方程采用。A．柱坐标下一维无内热源的不稳态导热微分热方程B．柱坐标下一维无内热源的稳态导热微分方程C．柱坐标下一维有内热源的不稳态导热微分热方程D．柱坐标下一维有内热源的稳态导热微分热方程答案：D36第二章稳态导热1、微分方程：2、无内热源：0t＝20vqt＋＝20t＝稳态，即2222222xyz373、一维有内热源：•一维无内热源：4、二维有内热源：•二维无内热源：220vqdtdx＋＝22220vqttxy＝220dtdx＝22220ttxy＝38第一节通过平壁的导热1－1第一类边界条件一．无限大平壁：已知：厚度δ，λ=const无内热源，tw1,，tw21Wt2Wtx0第二章稳态导热220,0dtxdx＝12,0,wwttxttx数学描述393、结论温度分布：热流密度：热流量:xtttt211－12wwttqW1Wt2Wtx012==wwttAqAW/m2qA40二、无限大平壁()已知：厚度δ，无内热源,tw1，tw20(1)bt结论温度分布——二次函数热流密度221211212212mm012=1b2，411Wt2Wtx0b0b0b=012m00(11b2)=wwbttt12mwwttq12mm012=1b2，42三．利用热阻概念1212W/m2R＝1Wt2WtR1Wt2Wtx043五．三层平壁的导热31241123++wwttq1Wt2Wt3Wt4Wtqq33221141wwttq1Wt2Wt3Wt4Wtq123112+wwttq44五．三层平壁的导热1Wt2Wt3Wt4Wtqq1Wt2Wt3Wt4Wtq143121231312341213121345•多层平壁11,1wwnniittqR，则：,1,1,1,2,wiwittqRRR•已知任意两壁面温差，可求热流密度；•已知热流密度和任意一壁面的温度，可求其它壁面的温度。=Aq461．如图所示，由两种不同材料制成的大平壁紧密接触时进行稳态导热过程，若已知，121223,tttt1212=1212A.B.C.D.012x12t1t2t312ttq,则。答案：A472．第一类边界条件下，常物性稳态导热大平壁，其温度分布与导热系数无关的条件是。A．无内热源B．内热源为定值C．负内热源D．正内热源答案：A481－2第三类边界条件一、无限大平壁已知：厚度δ，无内热源，λ＝const121211ffttqhh结果1h2h2ft1ftf1t1Wt2Wtf4tq=Aq491Wt2Wt1ft2ft0h1h2x1ft1Wt2Wt2ft11h21hq121211ffttqhh=Aq50121312232111ffttqhh二、多层平壁1Wt2Wt3Wt4Wtqq11,fht22,fht=Aq1ft1Wt2Wt2ft11h21hq3Wt4Wt33221151121312232111ffttqhh二、多层平壁1Wt2Wt3Wt4Wtqq11,fht22,fht1ft1Wt2Wt2ft11h21hq3Wt4Wt332211111232423413312113231111fwfwwfwfwwttttttttttqhhhh52第二节通过复合平壁的导热1、简化：当组成复合平壁的各种不同材料的导热系数相差不很大时，可当作一维问题导热问题处理。53541、计算公式：3322111111EDAEcAEBARRRRRRRRRRtR＝55