传热学基础知识

TeachingMaterials/YuandongLi1传热学基础知识材料热加工过程中，无时不在的存在各种热量传递现象，因此材料热加工过程的数学解析的基础便是传热学。如果材料的不同部分之间存在温度差，则不同温度部分必然发生热量传递。热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。在这三种基本方式中热量传递的物理本质是不同的。实际工程应用中，所遇到的热传递现象常常是由几种基本方式共同作用的结果。TeachingMaterials/YuandongLi2温度场是指在某一瞬间，连续介质内各点温度分布的情况。温度场的一般数学表达式为：T＝f(x,y,z,t)即温度场是坐标和时间的函数。一、稳定温度场T=f(x,y,z)二、不稳定温度场T＝f(x,y,z,t)2.1温度场TeachingMaterials/YuandongLi32.1温度场三、等温面和温度梯度温度场中同一瞬时温度相同的各点连成的面称为等温面。特点：1.二维时等温度面为等温线2.可以是平面(或直线)也可以是曲面(或曲线)。3.代表不同温度的等温面（或等温线）不可能相交。4.在同一等温面上没有热量传递；热量只能由温度场中高温等温面向低温等温面传递，且热量的传递方向只能是沿着等温面的法线方向。TeachingMaterials/YuandongLi42.1温度场温度场中单位长度的最大温度变化率是在等温面的法线方向n上，通常把温度场中任意点的温度沿等温面法线n方向的增加率称为该点的温度梯度，记为gradT/m][gradlim0℃nTnTTn通常把温度增加的方向作为温度梯度矢量的正方向。TeachingMaterials/YuandongLi52.2热传导热传导简称导热，是指直接接触的物体或同一物体各部分之间的热量传递现象。其机理是不同温度的物体或物体不同温度不同的各部分之间，分子动能的相互传递，即动能较大的分子（温度较高）把能量传给邻近动能较小的分子（温度较低）。此外，还依靠自由电子的运动而传递能量。从宏观上就表现为热量由物体的高温部分传递给低温部分，但不存在物质的宏观移动。TeachingMaterials/YuandongLi62.2热传导导热的特点导热现象一般发生在固体中，在流体中也能发生，但一般较弱，常予以忽略，因此固体中的热传递完全取决于导热。不同物体的导热能力不同，即使同一物质不同状态时，导热能力也不相同。TeachingMaterials/YuandongLi72.2热传导在归纳了大量实验结果的基础上，傅立叶于1882年总结出均质固体中的导热规律：单位时间内导过垂直于热流方向的面积dA的热量，其数值正比于该截面方向上的温度变化率（温度梯度），但方向与温度梯度相反。即：nTdAdQnnTdAdQdqnn单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。记为q.量纲：w/m2TeachingMaterials/YuandongLi82.2热传导热流密度和温度梯度成正比，比例系数λ叫做导热系数。导热系数是物质非常重要的性质，是衡量物质导热能力的重要指标。其值与材料的几何形状无关，而完全取决于材料的成分、内部结构、密度、温度和含水量，主要由实验确定。nTdAdQdqnnTeachingMaterials/YuandongLi92.2热传导导热系数λ定义为沿导热方向的单位长度上，温度降低1℃，物质单位面积所容许通过的热流量。（λ是温度梯度为1w/(m.K)时的热流密度，其特点为：材料的导热系数越大，导热传递的热量也越大。不同物质的导热系数不同，同一种物质在不同温度时，导热系数也不一样。大多数金属的导热系数随温度的升高而降低。各向异性材料在各方向的导热系数是不同的，如木材、石墨等。在温度差别不是很大或计算精度要求不高时，可视其为定值或取该温度范围内的平均值。TeachingMaterials/YuandongLi102.3热对流热对流（简称对流）是指流体内部各部分之间发生相对位移而引起的热量转移现象。特点：1.仅能发生在流体中，而必然伴随着导热，常常在工程上遇到的不是单纯的对流方式，而是流体流过另一物体表面时对流和导热联合作用的方式，这种方式称为对流换热。2.对流换热时，有些情况下是流体向壁面传递热量，在另一些情况下则是壁面向流体传递热量，因此对流换热与流体流动密切相关。另一方面对流换热既具有流体分子间的微观导热作用，也具有流体宏观位移的热对流作用，所以对流换热过程必然受到导热规律和流体流动规律的支配。换句话说，它与流体的流动物性（热容、密度、粘度、导热系数等）和换热壁面的几何尺寸、形状有密切关系，因而是一个复杂的传热过程。TeachingMaterials/YuandongLi112.3热对流对流按引起流动的不同原因可分为自然对流和强迫对流两大类。自然对流：流体各部分之间存在温度差时，由于流体冷热各部分密度不同而引起的热交换。例如暖气片附近，吸热后的热空气由于密度减小而上升，而较冷的空气下降，形成对流。强迫对流：流体依赖外力而迫使其流动则称为强迫对流。如空调、风扇等。TeachingMaterials/YuandongLi122.3热对流牛顿定律：假设温度边界层厚度为δ（紧贴着换热壁面流体层，其温度由壁面温度Tw变化到主流温度Tf，该层流体称为温度边界层），该层内按热传导计算，则：或fwxTTxT0fwcfwwcTThTTqTeachingMaterials/YuandongLi132.3热对流qwc：流体与固体之间的热流密度；Tf：流体温度；Tw:固体壁面温度；h:对流换热系数（w/m2·℃)。h代表流体与所接触的固体表面之间温度每相差1℃，该流体与该固体表面之间热流密度的大小。fwcfwwcTThTTδλqTeachingMaterials/YuandongLi142.4热辐射由物体表面直接向外界发射可见或不可见射线，在空间传递能量的现象称为辐射。热辐射与导热和对流不同，传递能量时，不需要相互接触，所以它是一种非接触传递能量的方式，即使空气高度稀薄的真空，热辐射也照常能进行；另外热辐射是在能量传递过程中伴随有能量形式的转化，即热能与辐射能之间的转化（如太阳能）。TeachingMaterials/YuandongLi152.4热辐射从微观角度来讲，物体之会产生辐射热交换，是由于物体中的分子、原子、电子等微粒的能级发生变化时，发出一种光电子，以微粒形式的光子对外发射，并以发射体获得一定的能量和质量。光量子一旦被其它物体接受，微粒形式消失而其能量则被吸收。大量光量子在空间的运动可用电磁波理论来描述，所以辐射具有波粒二象性。物体发射的射线中，波长在0.7-1000um之间的电磁波被称为红外线；热辐射线和可见光的物体本性一样，遵循光的透射、反射和折射定律。TeachingMaterials/YuandongLi162.4热辐射如图所示，辐射能Q0投射到物体上时，其中一部分QA被物体吸收，一部分QR被物体反射，另一部分QD透过物体。影响热辐射线吸收和反射的主要因素是物体的表面粗糙度，表面粗糙度越大，物体对热射线的吸收能力也越大。一切物体只要其温度高于绝对零度（T＞-273℃），就会从表面放出辐射能。辐射能量Q0辐照到物体上后，分为三部分，如上述。因此有：Q0＝QA＋QR＋QDTeachingMaterials/YuandongLi172.4热辐射物体吸收、反射和透过的辐射能与投射到物体上的总辐射能Q0之比,分别称为该物体的吸收率ηA、反射率ηR和透过率ηD，即：吸收率ηA＝QA/Q0反射率ηR＝QR/Q0透过率ηD＝QD/Q0ηA、ηR和ηD的数值是在0－1之间变化，它们的大小与物体的温度、表面情况、物体的性能、射线的波长等因素有关。TeachingMaterials/YuandongLi182.4热辐射如ηA＝1，则ηR=ηD＝0，说明落在物体上的全部辐射能都被物体所吸收，这类物体叫做绝对黑体。如ηR＝1，则ηA＝ηD＝0，说明落在物体上的全部辐射能都被物体所反射出来，一种是正常反射，称为镜体；一种是乱反射，称为绝对白体，介于黑体与白体之间的物体，则一律称为灰体。如ηD＝1，则ηA＝ηR＝0，所有落在物体上的辐射能，完全透过该物体，这类物体称为绝对透明体或透热体。TeachingMaterials/YuandongLi192.4热辐射应当指出，在自然界中并不存在绝对黑体、绝对白体和绝对透明体。工程上所讲的黑体、白体和透明体，并不是对可见光而言，而是对热辐射而言。物体单位表面积，单位时间内发射的一切波长射线所携带的能量称为该物体的辐射密度或辐射力，用E(w/m2)来表示，以“0”下角标表示黑体，则黑体的辐射能力用E0表示。TeachingMaterials/YuandongLi202.4热辐射19世纪80年代，斯蒂芬和波尔茨曼总结出“物体的辐射力E与其绝对温度T的四次方成正比”。即：E0=σ0T4(w/m2)对于灰体(即黑度为ε)其辐射能为：E=εσ0T4(w/m2)T：热力学温度K；σ0:绝对黑体的辐射系数，σ0=5.67×10-8w/m2k4ε：黑度系数，在0-1之间，表面越光，则ε越小。TeachingMaterials/YuandongLi212.4热辐射两个物体所处的温度不同，彼此都可以发射辐射能，并且一个辐射体吸收另一个辐射体的能量，两者之间的热辐射交换，可用下式计算：QR=εσ0(T14-T24）TeachingMaterials/YuandongLi222.5传热学基本方程一、直角坐标系下的热传导基本方程基本思路：热传导基本方程的建立是基于微元体内热量守恒而建立的，因此基本公式和定理为傅里叶公式和能量守恒。微元体(dxdydz)同时由三个方向(x,y,z)输入热能dQx,dQy,dQz；同时又向三个方向传出热能dQx+dx,dQy+dx,dQz+dz.TeachingMaterials/YuandongLi232.5传热学基本方程根据能量守恒：无内热源：dt时间内流入微元体的热量+dt时间内流出微元体的热量=dt时间内微元体蓄积的热量有内热源：dt时间内流入微元体的热量+dt时间内微元体自身产生的热量=dt时间内流出微元体的热量+dt时间内微元体蓄积的热量TeachingMaterials/YuandongLi242.5传热学基本方程根据傅里叶第一定律，分别计算各方向(x,y,z)上的热流量。x方向:流入微元体的热量xTdydzdQx)(流出微元体的热量(泰勒级数展开)dxxdQdQdQxxdxx)()()(!)(!2)()()(222xRdxxfdnxdxxfdxdxxdfxxfxxfnnnnTeachingMaterials/YuandongLi252.5传热学基本方程则沿x方向流入微元体的净热量为：dxdydzxTxdQdQdQdxxxx)('同理，可得沿y方向和z方向流入微元体的净热量分别为：dxdydzyTydQdQdQdyyyy)('dxdydzzTzdQdQdQdzzzz)('TeachingMaterials/YuandongLi262.5传热学基本方程三个方向流入微元体的净热量为：dQ总=dQx’+dQy’+dQz’由于热量的流入，使得单位时间内微元体的温度升高而蓄积的热量为：dxdydztTdQ)(Cp蓄若微元体有内热源时，则单位时间、单位体积微元体物质的发热量为q’,那么单位时间内转化为微元体积蓄的能量dQ内为:dQ内=q’dxdydzTeachingMaterials/YuandongLi272.5传热学基本方程根据能量守恒定律得：dQ蓄=dQ总+dQ内qCpzTzyTyxTxtT不考虑内热源时，根据能量守恒定律得