9传热学-总复习解析

传热学总复习能源工程系黄金热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射第一章：2mWddxtAΦq21wwttA[w])(fwtthAΦ][w/m)(2fwtthAΦq4TA4Tq4TA)(424111TTA主要公式第二章：主要概念：等温面、等温线a)温度不同的等温面或等温线彼此不能相交b)在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界c)等温面上没有温差，不会有热量传递；而沿着等温面法向将有最大温度变化率温度梯度：等温面法线方向的温度变化率矢量热导率数值上等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模保温材料：国家标准规定，温度低于350摄氏度时热导率小于0.12W/(mK)的材料（绝热材料）导热微分方程的定义：根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，称为导热微分方程。热扩散率：材料传播温度变化能力大小的指标。表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力。a反映了导热过程中材料的导热能力（）与沿途物质储热能力（c）之间的关系。ca边界条件：说明导热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（Boundaryconditions）边界条件可分为三类：第一类、第二类、第三类边界条件例题：试分别用数学语言及传热学术语说明导热问题三种类型的边界条件。答：第一类边界条件：规定了边界上的温度值。当＞0时，第二类边界条件：规定了边界上的热流密度值。当＞0时，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及周围流体的温度当＞0时，)(1fTw)(2fnTwfTh)(fwwTThnT接触热阻:导热过程中，由于两固体表面未能紧密接触，而引起的附加传递热阻.ΦΦ基温度下的散热量假设整个肋表面处于肋实际散热量肋片效率＝0肋面总效率:表示有效传热面积与总传热面积之比frffrAAAA0)()()(ztzytyxtxtc非稳态扩散项源项112txttt21ttA主要公式：niiinniinttrttq11111133221141ttq多层平壁的导热热阻分析法)ln()ln()(121211rrrrttttW2)ln(2211221RttlrrttrlqΦmWln21Wln2111)1(111)1(1niiiinwwlniiiinwwrrttqrrLttΦdttxAdxttxx2121)()(求解变截面变导热系数的通式)(ch)]([ch0)()(0mHxHmeeeemHmHxHmxHm练习题1：炉墙壁由三层材料组成。有内到外，第一层是耐火砖，导热系数＝1.7W/（m·℃），允许的最高使用温度为1450℃；第二层是绝热砖，导热系数＝0.35W/（m·℃），允许的最高使用温度为1100℃；第三层是铁板，厚度＝6mm，导热系数＝40.7W/（m·℃）。炉壁内表面温度＝1350℃，外表面温度＝220℃，热稳定状态下，通过炉壁的热流密度＝4652W/m2。试问，各层壁应该多厚才能使炉壁的总厚度最小？解：为了使炉壁总厚度最小，就要把导热系数小的绝热砖层的厚度，在允许的使用温度范围内尽可能做大些。因绝热砖的最高使用温度是1100℃，所以把耐火砖层和绝热砖层的界面温度设为＝1100℃由单层平壁导热公式：tq11)(111ttq)11001350(46527.1mmm91091.0又根据多层平壁公式：33222ttq7.40006.035.0220110046522mmm66066.02即当耐火砖厚度为91mm、绝热砖为66mm时，炉壁的总厚度为最小，此时mm163321min练习题2：炉墙由耐火砖和红砖两层组成，厚度均为200mm，导热系数分别为0.6W/m·℃和0.4W/m·℃，炉墙内、外侧壁温分别为700℃和90℃，试求：(1)通过炉墙的热流密度；(2)两层接触面的温度。解：根据题意以及已知条件有3.7324.02.06.02.0900700221131wwttqW/m21121wwttq4566.02.03.7327001112qttww℃在涉及热传导和热对流的传热过程中，热阻是一个非常重要的概念，它的大小与等因素有关。单位面积上的热阻的单位是。流体的性质、流动情况、固体壁材料以及形状；m2.℃/W第三章：主要概念：简述非稳态导热的基本特点？（1）随着导热过程的进行，导热体内温度不断变化。（好像温度会从物体的一部分逐渐向另一部分转播一样，习惯上称为导温现象。这在稳态导热中是不存在的。）（2）非稳态导热过程中导热体自身参与吸热（或放热），即导热体有储热现象，所以即使对通过平壁的非稳态导热来说，在与热流方向相垂直的不同截面上的热流量也是处处不等的，而在一维稳态导热中通过各层的热流量是相等的。（3）非稳态导热过程中的温度梯度及两侧壁温差远大于稳态导热。两个不同的阶段：非正规状况阶段：初始温度正规状况阶段：边界条件及物性参数毕渥数：表征内部导热热阻与外部对流传热热阻的比值hhrrBih122Flola换热时间边界热扰动扩散到面积上所需的时间Fo数物理意义可以理解为两个时间间隔相除所得的无量纲时间，Fo越大，热扰动就能越深入地传播到物体内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介质的温度。Fo数表征非稳态过程进行深度的无量纲时间VchAetttt00vvFoBiVchAee0hAVc时间常数主要公式：第五章：主要概念：建立了对流传热系数与温度场的关系式)C(mW2,xwwxyttth流动边界层（速度边界层）：固体表面附近流体速度发生剧烈变化的薄层。温度边界层（称热边界层）：固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层课堂讨论：由上式可知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度无关，试判断这种说法的正确性？紊流核心流动边界层在壁面上的发展过程也显示，在边界层内也会出现层流和湍流两类状态不同的流动。边界层的流态层流边界层层流过渡区湍流边界层湍流核心缓冲层层流底层（粘性底层）P208简述：边界层概念的基本内容和它的意义是什么？1）当粘性流体流过固体表面时，流场可划分为主流区和边界层区。边界层区域内，流速在垂直于壁面的方向上发生剧烈的变化，而在主流区流速的梯度几乎为零。2）边界层厚度δ与壁面尺寸l相比是一个很小的量，远不止小一个数量级。3）主流区的流动可视为理想流体流动，用描述理想流体的运动微分方程求解。而在边界层区的流动，要用粘性流体的边界层微分方程求解，其主流方向流速的二阶导数项略而不计。4）在边界层内的流动分层流和湍流，而湍流边界层内紧靠壁面处仍有极薄的层流底层。意义：边界层理论的提出使得求解流场对流换热微分方程组的由整个流场内求解转变为分主流区和边界层区求解，而主流区采用简单得多的理想流体的运动微分方程求解，边界层区则采用数量级分析的方法求解，从而使问题大为简化。简述：对流换热的数学描述基础是什么？以二维流为例，有哪些数学描述方式？答：对流换热的数学描述基础是能量守恒、动量守恒、质量守恒及传热学基础定律（牛顿冷却公式及傅立叶定律）。以二维流为例，有三种方式：微分形式的完全方程组；微分形式的边界层方程组；积分形式的边界层方程组。普朗特数：avPr表征了流动边界层与热边界层的相对厚度贡献：确立了边界层理论在对流换热求解中的重要地位反映了流体中动量扩散与热量扩散能力的对比特征数是由一些物理量组成的无量纲数，例如毕渥数Bi和付里叶数Fo。对流传热的解也可以表示成特征数函数的形式，称为特征数关联式。这种以特征数表示的对流传热计算关系式称为特征数方程，习惯上又称关联式或准则方程。3121PrRe664.0lllhNuxhNuxx努塞尔(Nusselt)数表征流体对流传热的强弱的无量纲数。理论贡献是开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究求解对流换热问题的一种基本方法，有力的促进了对流换热研究的进展比拟理论的定义：是指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基本关系的方法。当平板长度l大于临界长度xc时，平板上的边界层由层流段和湍流段组成。其Nu分别为：则平均对流传热系数hm为:31315402121Pr0296.0332.0dxxudxxulhlxxmcc31545421Pr)Re(Re037.0Re664.0ccmNu如果取，则上式变为：5105Rec3154Pr871Re037.0mNu113241530.332RePr0.0296RePrcxcxxxNuxxNu时，层流，时，湍流，流体外略平板的计算：3121PrRe664.0lllhNu第六章：基本概念：物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描写的现象。两个物理现象相似的充要条件：（1）同名的已定特征数相等（2）单值性条件相似导出相似特征数的两种方法：相似分析法和量纲分析法1）说明管内对流换热的入口效应并解释其原因。答：管内入口处边界层很薄,热边界层厚度越小，传热阻力越小，因此在入口段，传热效果得到加强。这种效果叫入口效应。2）对管内强制对流传热，为何采用短管和螺旋管可以强化流体的传热？答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，表面传热系数较高，因而传热较强，即所谓的入口效应；对于螺旋管，流体流经管道时，由于离心力的作用，在横截面上产生二次环流，增加了流体的扰动，从而强化了换热。牛顿冷却公式中的平均温差()mmmpffhAtqcttlnffmwfwfttttttt判断：在换热器中，若一侧流体为冷凝过程（相变过程），另一侧为单相流体，则逆流可获得比顺流大的换热温差。minmaxminmaxtlnttttm例题：在一台螺旋板式换热器中，热水流量为2000kg/h，冷水流量为3000kg/h；热水进口温度＝80℃，冷水进口温度＝10℃。如果要将冷水加热到＝30℃，试求顺流和逆流时的平均温差。（已知水的比热在上述温度范围内为一常数）解：热水质量流量skgM/56.0360020001冷水质量流量skgM/83.0360030002根据热平衡方程式有得＝50℃)()(22221111ttCMttCM即0.56（80－1t）＝0.83（30－10）1tmaxtmint80℃－10℃＝70℃＝50℃－30℃＝20℃9.392070ln2070mt则℃（2）逆流时maxtmint80℃－30℃＝50℃＝50℃－10℃＝40℃8.444050ln4050mt则℃由上面分析可见，逆流布置时平均温差比顺流时大12.3％，也就是说，在同样的传热量和同样的传热系数下，只要将顺流改为逆流，换热器可以减少12.3％的换热面积。23tlgGr在物理上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。Gr数表征浮升力与粘性力相对大小，反映自然对流的强弱Gr数为自然对流现象所特有，Gr数在自然对流现象中的作用与雷诺数Re在强制对流中的作用相当。0.4n0.3n实用上使用时间最长也