杨世铭-陶文铨传热学B第1章共48页文档

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(完整)传热学第一章答案第四版-杨世铭-陶文铨汇总,推荐文档

传热学习题集第一章思考题1．试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。

联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

2．以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。

答：① 傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt －沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；f t －流体的温度。

③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。

3．导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。

这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。

4．当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。

试分析引入传热方程式的工程实用意义。

答：因为在许多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程。

5．用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。

传热学课件第1章

导热与热对流同时存在的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动
壁面处会形成速度梯度很大的边界层
2.对流换热（Convection）
（4）对流换热的分类：
强迫对流
流动起因
自然对流
无相变有无相变有相变凝结换热沸腾换热
2.对流换热（Convection）
(4) 牛顿冷却公式表面传热系数, W/（m2.K) 流体温度，℃
1.导热
(5)傅里叶定律
1822年，法国数学家Fourier
负号表示热流方向与温度梯度
温度梯度方向相反热流量,W
dt Φ A dx 导热系数，
W/( m.K)
W
W 2通过平板的一维导热 m
面积,m2
Φ dt q A dx
热流密度,W/m2
1.导热
(6)导热系数：表征材料导热能力的大小
家用散热器
5. 传热学的应用
航空航天
高新技术
电子器件
医药卫生
5. 传热学的应用
能源动力传统工业石油化工
制冷空调
5. 传热学的应用
大型
客
机航空航天在航空航天领域，航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收
火
箭升空
装置能提供卫星工作所需
的部分能量。
5. 传热学的应用
建筑环境建筑上，利用空气导热系数
W (m
2
K)

h ——当流体与壁面温度相差1K 时，单位时间单位面积所传递的热量影响因素：流体物性、、、c p 流速

换热表面的形状、大小与布置
研究对流换热的基本任务就是确定 h

传热讲义-第1章

11 Research Group of Heat Transfer
热能利用率和传热过程密切相关。
高温热源吸热Q1
热机
Wnet
放热Q2
低温热源
NCEPU
12 Research Group of Heat Transfer
对流、导热、沸腾
对流、导热对流导热辐射对流、导热
对流
凝结、对流
NCEPU
tw2
: 材料的热导率（导热系数），表明
材料的导热能力，W/(m· K)。
0

W

NCEPUx
28 Research Group of Heat Transfer
热流密度 q :单位时间通过单位面积的热流量
q
导热热阻

A

tw1 tw 2

A
tw1 tw 2

t w1 t w 2
NCEPU
4 Research Group of Heat Transfer
课程体系的简要结构
基础课
专业基础课
专业课
NCEPU
5 Research Group of Heat Transfer
第1章绪论
1－1 传热学的研究内容与研究方法
（1）传热学的概念:
传热学主要研究热量传递的规律以及控制和优化热量传递过程的方法。热量:在温差的作用下传递的热能的数量。由于温差几乎无处不在，所以热量传递是日常生活和生产实践中普遍存在的物理现象。 NCEPU
传热学的任务：微尺度下传热规律的探索；预先设定温度分布；以热量的传递作为控制手段——传热控制
NCEPU
21 Research Group of Heat Transfer

传热学第一章

p
14
15
固体的热导率
金属的热导率：
金属 12~418 W (m C)
纯金属的导热：依靠自由电子的迁移和晶格的振动主要依靠前者金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：银铜金铝
T
晶格振动的加强干扰自由电子运动
10K:Cu 12000 W (m C) 15K : Cu 7000 W (m C)
2
学习侧重点：
在理论上做较深入的阐述，注意把数学理论和传热学问题更好地结合，遵循 “物理模型-数学模型-分析求解”的模式要求：掌握热传导、对流换热和辐射换热的基本理论及分析求解方法，传热强化的原则和手段
3
第一章
热传导（导热） (heat conduction)
研究方法：从连续介质的假设出发、从宏观的角度来讨论导热热流量与物体温度分布及其他影响因素之间的关系。
5
3）温度梯度(temperature gradient)
在温度场中，温度沿x方向的变化率(即偏导数)
t x
lim x 0
t x
温度梯度：等温面法线方向的温度变化率矢量： t gradt n 温度梯度是矢量，指 n 向温度增加的方向。
t t t gradt i j k x y z
t 0 f ( x, y, z)
25
4)边界条件说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的相互作用, 例如,边界上的温度、热流密度分布以及边界与周围环境之间的热量交换情况等。常见的边界条件分为以下三类:
(a) 第一类边界条件给出边界上的温度分布及其随时间的变化规律：
tw f , x, y, z
31

杨世铭《传热学》考研考点讲义

㊀３
辐㊀射㊀传㊀热
一热辐射的基本概念１．电磁波谱２．吸收、反射、透射３．黑体的概念和作用４．黑体辐射的基本定律Ｓｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定律Ｐｌａｎｃｋ定律㊀㊀㊀Ｗｉｅｎ位移定律Ｌａｍｂｅｒｔ定律５．实际物体的辐射吸收特性漫射表面灰体的概念基尔霍夫定律实际物体表面简化的可行性６．温室效应二辐射传热的计算１．角系数２．投入辐射、有效辐射３．任意两表面之间辐射传热４．多表面系统辐射传热表面辐射热阻和空间辐射热阻画网络图的方法表面净辐射传热量和任意两表面之间的辐射传热量两种特殊情形黑体、重辐射面５．遮热板遮热板的工作原理遮热板的应用：如何进一步提高遮热板的遮热效果，提高测温精度
换㊀热㊀器
一传热过程的分析和计算传热过程总传热系数
㊀４
杨世铭《传热学》考点精讲及复习思路
①传热过程的辨析圆筒壁＼肋壁的传热 ②总传热系数的计算㊀㊀通过平壁＼强化传热的突破口㊀㊀强化传热应从热阻最大的环节入手临界热绝缘直径二换热器的型式及平均温差换热器的定义、型式、特点简单顺流和逆流的平均温差的计算简单顺流和逆流的定性温度分布其它复杂流动布置的平均温差的计算三换热器的热计算设计计算和校核计算利用平均温差法进行换热器的设计计算 ①所依据的方程㊀㊀ ②步骤１．ＴＵ法－Ｎ ①有关概念㊀㊀㊀ ②与平均温差法比较２．污垢热阻二、杨世铭《传热学》考点精讲及复习思路课程安排第一章概论— — —１讲第二章稳态热传导— — —３讲第三章非稳态热传导— — —２讲第四章热传导问题的数值解法— — —２讲第五章对流传热的理论基础— — —２讲第六章单相对流传热的实验关联式— — —２讲第七章相变对流传热— — —２讲第八章热辐射基本定律和辐射特性— — —２讲第九章辐射传热的计算— — —２讲第十章传热过程分析与换热器的热计算— — —２讲第十一章传质学简介三、考试题型名词解释如：１．大容器沸腾；２．流动边界层；３．辐射传热；４．传热过程；５．稳态温度场；填空如：第一类边界条件是㊀㊀㊀㊀㊀㊀。

《传热学》第1章-绪论

™概念会分析——有思路，给出公式会计算——有技能；
三、传热学应用实例
● 自然界与生产过程到处存在温差—传热很普遍
日常生活中的例子：
● 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持 20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？
● 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？
v 1904年他在哥廷根大学（Göttingen University）担任流体力学研究所的所长，同年他发表了其具有历史意义的关于边界层的著名论文，奠定了现代流体力学和空气动力学以及对流换热分析的基础。在风洞实验技术；机翼理论；湍流理论均有杰出贡献；
v T. von 卡门是他的学生；
传热学名人-4
v 发展对流换热理论的杰出先驱：对流换热的无量纲准则，用实验方法求解对流换热问题；
v 凝结换热理论解； v 层流入口段换热机理研究；
传热学名人-5
v 施密特（1892－1975）,出生于1892年2月11日，是德国的科学家，工程热物理学，尤其是传热传质学研究领域的先驱；
v 他是第一个测量自然对流边界层的速度场和温度场以及膜态凝结的当量传热系数的人。
™ 偏微分方程（导热）和偏微分方程组（对流） ™ 数值模拟----差分方程
v 实用性也强；
™ 由实验得出的对流换热的经验公式
对学习方法的建议
v 以方法论学习为主
™课堂上要注意学习建立方程的方法; ™不要去记复杂的公式; ™要记住最基本的公式;
v 对学习效果的要求程度
™合上书忘了——不要紧，但是翻开书就能看懂,能想起来——基本可以;
q1
=
λ1
tw1
− tw2 δ

传热学-第一章

c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？ d 深秋的晴朗早晨，地上的植物叶子会结霜。是上表面还是下表面结霜？
(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事
0
dt
dx

Q
x
度垂直的面积）成正比。
图1-2 一维稳态平板内导热
Φ A
dt dx
W
W 2 m
*
Φ dt q A dx
上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一
维稳态导热。其中：
：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单位时间通过

传热学课程学习的主要目的：掌握传热学的基本概念、基本理论与基本分析计算和实验研究方法，为今后研究、处理、解决实际的传热工程问题奠定必要的技术理论基础。
（2）传热学的主要研究方法:
理论分析数值模拟实验研究
比拟（类比）法
2. 传热学与工程热力学的关系
(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science)
1701年牛顿提出牛顿冷却定律；
1823和1845年纳维和斯托克斯队流动的数学
描述：纳维-斯托克斯方程复杂无法求解；打破僵局： 1）1880，雷诺提出无量纲物理量-雷诺数； 1909和1915努塞尔的无量纲分析法奠定了试验的基本方法； 2）1904年普朗特提出边界层理论，使N-S方程得到简化，可以解析求解
3.前沿交叉学科：微尺度传热、生物医学等（留学热门）培养目标：具有良好的知识、能力、素质结构，获得基本训练的高级工程人才。毕业后即可在生产一线从事设计、制造、运行、研究开发、营销管理；又可继续深造攻读更高学位。要求：厚基础、强能力、高素质、有特色。自学、领悟掌握物理机理。纪律与学术活跃并重

传热学第一章(研究生)

•轧制过程的温度控制
•烧结、高炉、炼钢、连铸设备的冷却
•机床切削加工时的冷却、温度控制 •液压系统的冷却 •减速机、发动机、电动机的冷却 •机电装置的温度控制 · · · · ·
传热学的任务
研究增强或削弱的传热技术确定温度分布和控制温度分布
散热器
飞行器温度场分析
热力管道
齿轮热处理
具体事例
冶金工业：
钢铁公司
连续铸钢
烧结设备
烧结机台车的温度场、热应力计算、热蠕变的防止
钢水包
钢包的耐火层设计，热损失计算
机械制造：
快速锻造设备
锻件的加热
机械制造：
磨削加工
热能工程领域
热电厂
航空航天
火箭发射
返回舱
卫星与空间站热控制
超高音速飞行器（Ma=10）
重返大气层飞行器热力耦合分析
几何模型
热传导分析得到的温度场
热力耦合分析得到的应力场及安全性评估
Mises应力安全性评估
微电子：
电子芯片冷却、纳米器件、装置温度控制
电子系统的温度控制对于使用可靠性至关重要
节约能源、建设环境友好住宅是当代一个重要课题
民生：
机械设计及理论学科相关专业中的传热学应用：
传热学
Heat Transfer
冶金机械系机械学院
张兴中
教材：《传热学》张兴中等编著国防工业出版社参考书：《传热学》杨世铭、陶文铨编著, 第三、四版《Heat Transfer》 J. P. Holman 第九版《传热学》戴锅生《传热学》章熙民等编著，第四版
第一章
绪论

《传热学》杨世铭-陶文铨-

30
2. 非稳态导热的正规状况阶段的解对无限大平板
F0 a 2
当 F0 0.2 取级数的首项，板中心温度，误差小于1%
2sin 1 ( , ) x F cos( 1 )e 0 1 sin 1 cos 1
(0, ) m ( ) 2 sin 1 e 0 0 1 sin 1 cos 1
r h Bi rh 1 h
无量纲数
当 Bi 时， r rh ，因此，可以忽略对流换热热阻
当 Bi 0时， r rh ，因此，可以忽略导热热阻
？
？
0 Bi
9
Bi 准则对温度分布的影响
0
t t0 0
3
2
（微细热电偶、薄膜热电阻）
当 4 时， 1.83% hA 0 Vc
工程上认为 =4 Vc / hA时导热体已达到热平衡状态
18
3 瞬态热流量：
Φ ( ) hA(t ( ) t ) hA hA 0 e
hA Vc
W
导热体在时间 0~ 内传给流体的总热量：
0
Biv Fov
应用集总参数法时，物体过余温度的变化曲线
17
如果导热体的热容量（ Vc ）小、换热条件好（h大），
那么单位时间所传递的热量大、导热体的温度变化快，时
间常数 ( Vc / hA) 小。对于测温的热电偶节点，时间常数越小、说明热电偶对
流体温度变化的响应越快。这是测温技术所需要的
(3) 求解方法：分析解法、近似分析法、数值解法
分析解法：分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换近似分析法：集总参数法、积分法数值解法：有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、分子动力学模拟

传热学第一章.

物体内部存在温差，或具有温差的物体直接接触。可发生在任何物质的任何地点(固体、液体、气体) 传热形式：依靠分子、原子以及自由电子等微观粒
子的热运动而传递——微观过程，不产生宏观位移。
2017/10/12
14

导热机理
气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果
导电固体：自由电子运动非导电固体：晶格结构振动
传热学
Heat Transfer
青岛科技大学热能与动力工程专业
2017/10/12
1
考核方法
平时成绩: 30% (包括：出勤及作业) 期末考试: 70%
2017/10/12
2
教材
《传热学》杨世铭陶文铨第四版
参考书
《传热学》杨世铭陶文铨第三版
《传热学》陈维汉许国良编著版
《Heat Transfer》J.P.Holman 8th edition 《数值传热学》陶文铨第二版
2017/10/12 3
第一章绪论
§1-1 传热学概述 §1-2 热量传递的基本方式 §1-3 传热过程与热阻 §1-4 传热学发展简史
2017/10/12
4
§1-1 传热学概述
一、传热学（Heat Transfer）
研究温差引起的热量传递规律的一门科学研究：机理、规律、模型、实验
特点：实用性强、涉及面广
本质：温差——热量传递的推动力热力学第二定律热量可以自发的由高温热源传给低温热源。可见有温差必有传热。
2017/10/12
5
分类：稳态过程和非稳态过程
就物体温度与时间的依存关系而言,可以
分为稳态过程和非稳态过程
物体中各点的温度不随时间而改变的热传递过程

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21.05.2020
5
生活实例
※为什么水壶的把手要包上橡胶？
※若房间里气体的温度在夏天和冬天都保持20℃，
那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？
※暖房子工程的意义？
21.05.2020
6
The Urban Heat Island Effect
人居环境与城市规划
21.05.2020
21.05.2020
23
(5)导热系数 (thermal conductivity) 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类
和温度有关。
金属非金属液固体体气体
(6)一维稳态导热及导热热阻
如图1-2所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定律公
式，有：
热量传递的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。
1. 热传导(heat conduction)
(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热能传递现象，简称导热。
(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生 (3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c
强化传热，即在一定条件下增加所传递的热量；削弱传热，即在一定的温差下使热量的传递减到
最小；温度控制，满足生产产品或设备安全运行要求。
动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核
能、航空航天、微机电系统（MEMS）、纳机电系统
（NEMS)、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技
术…
W/m2
上式称为Fourier定律，称为导热基本定律，上式是
一维稳态导热时Fourier定律的数学表达式。其中：
一维稳态平板内导热
：热流量（heat transfer rate )，单位时间传递的热量[W]；
q：热流密度( heat flux )，单位时间通过单位面积传递的热量； A：垂直于导热方向的截面积[m2]；：导热系数（热导率, thermal conductivity）[W/( m .K)]。
依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。
21.05.2020
21
气体的导热：由于分子的热运动和相互碰撞时发生的能量传递
21.05.2020
22
(4)导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier:
Φ A dt
dx
W
qΦdt
A dx
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器
官的冷冻保存
d 军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存
e 制冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温
水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
21.05.2020
12
电子器件冷却
21.05.2020
13
航天飞行器
21.05.2020
14
航空母舰
21.05.2020
21.05.2020
2
第一章绪论
CHAPTER 1: Introduction
21.05.2020
3
§1.1 传热学的研究内容及其
在科学技术和工程中的应用
1. 传热学的研究内容
(1) 研究由温差引起的热能传递规律的科学（单位
时间内传递热量与物体温差之间的关系，以及不同条
件下物体中各点的温度分布）具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法（传递过程中的热能称为热量）
15
21.05.2020
航空发动机高温叶片冷却
高压透平工况：
•气体温度1800K •叶片温度1200K •冷却气体800K
16
冷却技术失效时
21.05.2020
17
超临界直流锅炉
21.05.2020
18
新材料
21.05.2020
19
压水堆核电站示意图
21.05.2020
20
§1.2 热能传递的三种基本方式
※成绩分布考试成绩平时成绩
70分 30分
其中，平时成绩含出勤、作业、实验。
※教材：《传热学》（第四版）杨世铭，陶文铨编高等教育出版社
21.05.2020
1
作业:
1-9, 1-12, 1-20 2-4, 2-9, 2-14, 2-18, 2-50, 2-55 3-10, 3-13, 3-21 5-3, 5-8, 5-20 6-7, 6-14, 6-41 8-6, 8-8, 8-20 9-6, 9-23, 9-30
21.05.2020
11Leabharlann a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（ Ma=10 ）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机
b 微电子：电子芯片冷却
铁块, M1 300oC
3. 传热学与工程热力学的关系
热力学 + 传热学 = 热科学
水，M2 20oC
系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量21的.05.多202少0 。
关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。
*稳态过程与非稳态过程
*热力学第一、二定律为研究基础
10
4. 传热学在科学技术各个领域中的应用
21.05.2020
4
(2) 热量传递过程的推动力：温差(temperature difference)
热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源
有温差就会有传热
温差是热量传递的推动力
(3) 传热学的基本任务求解热量传递速率( heat transfer rate )
求解温度分布( temperature distribution )
q 0 d x ttw w 1 2d t q tw 1 tw 2
导热热阻
q
t w1
tw2
21.05.2020
conduction resistance
24
例题 1-1
例题 1-1 一块厚度δ=50 mm 的平板，两侧表面分别维持在 tw 130 oC ,0 tw 210 oC .0试求下列条件下的热流密度。
7
工程实例几何尺度
21.05.2020
micro-eletrome chanical system nano-eletro mechanical system
8
工程实例时间尺度
21.05.2020
9
2. 传热学研究中连续介质的假定
假定所研究的物体中的温度、密度、速度、压力等
物理参数都是空间的连续函数。