传 热 学 导热（ 热传导 ）的定义 物体 各部分之间不发生相对位移 时，依靠分子、原子、及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递现象。 单纯的导热只发生在固体中 。 一、 导热理论基础 1.1 导热基本概念 温度场 ： 某一时刻空间所有各点温度分布的总称 。 稳态温度场 ： 温度场不随时间变化 非稳态温度场 ： 温度场随时间和空间变化 ),z,y,x(ft 一、 导热理论基础 ( , , )t f x y z 温度梯度 一、 导热理论基础 kztjytixtg r a d t tgrad t nnr直角坐标系 ： 温度梯度矢量的方向指向温度升高的方向 nnTgr ad Tq 一、 导热理论基础 法线方向的单位向量 1.2 傅里叶定律 xyztqxtqytqz直角坐标系： 表述？ 当导热物体的温度接近于绝对零度时； 当过程的作用时间极短，与材料本身固有的时间尺度相接近时 ； 当过程发生的空间尺度极小，与微观粒子的平均自由行程相接近时 一、 导热理论基础 傅里叶定律不适用的场合 傅里叶定律的适用条件 ： 均匀的连续介质 各向同性介质 g r a d tq一、 导热理论基础 1.3 导热系数 导热系数的定义式 ： 导热系数是 表征材料导热能力的物理量， 是重要的热物性参数 。 大小取决于物质的结构、状态、容重、湿度、密度、压力和温度等 。 一、 导热理论基础 一定温度范围内， 导热系数可认为是温度的线性函数 )1(0 bt 气体的导热机理： 气体的导热是 分子热运动和相互碰撞时所实现的能量传递 。 气体导热系数范围： 0.0060.6W/(m K) 气体的 导热系数一般与压力无关 ； 温度升高，气体的导热系数增大 气体的导热系数 一、 导热理论基础 液体的导热机理： 液体导热是通过晶格的振动来 实现能量的传递 。 液体导热系数范围： 0.070.7W/(m K) 一般液体的 导热系数随 温度的升高而减小， 0-120oC的水及甘油除外。 液体的导热系数 一、 导热理论基础 金属的导热机理： 金属导热主要是通过自由电子相互作用和碰撞来 实现能量的传递 。 金属导热系数范围： 12 418W/(m K) 纯金属的导热系数最高， 合金的导热系数低于纯金属 ；纯金属的 导热系数随 温度的升高而减小，一般合金的导热系数随温度的增加而增加。 金属的导热系数 固体 液体 气体 金属 非金属 一、 导热理论基础 室温条件下， 0 b 2 D 、 1 2 3221 tttt 例题讲解 2. 炉墙平壁用两层同样厚度的保温材料保温，两种材料的导热系数为常数，分别为 1、 2， 且 1 2 ， 下列说法正确的是（） A、将 2 的材料放在内侧保温效果好 B、将 1 的材料放在内侧保温效果好 C、无论保温材料如何放置，效果相同 D、无法确定 例题讲解 3. 热力管道外用两层保温材料保温，两种材料的导热系数为常数，分别为 1、 2， 且 1 2 ， 下列说法正确的是（） A、将 2 的材料放在内侧保温效果好 B、将 1 的材料放在内侧保温效果好 C、无论保温材料如何放置，效果相同 D、无法确定 例题讲解 4. 当导热过程在两个直接接触的固体之间进行，为了减小接触热阻，下列做法错误的是（） A、降低接触面的粗糙度 B、增大接触面的挤压压力 C、在接触面之间衬以导热系数大且硬度大的材料 D、在接触面之间涂上一层导热系数大的油脂 例题讲解 5. 有一房间，外墙厚度为 400mm,室内墙表面温度为 25oC，室外墙表面温度为 -15oC，则外墙的 温度梯度 为（） A、大小为 25oC/m，方向垂直于外墙，指向室外 B、大小为 25oC/m，方向垂直于外墙，指向室内 C、大小为 100oC/m，方向垂直于外墙，指向室外 D、大小为 100oC/m，方向垂直于外墙，指向室内 例题讲解 6. 锅炉炉墙由三层平壁组成，内层是耐火砖层，外层是红砖层，中间是石棉保温层。由内到外三层的厚度和导热系数分别是 1 = 0.23m， 1 = 1.20W/(mK)； 2 = 0.05m， 2 = 0.095W/(mK)； 3 = 0.24m， =0.06W/(mK)。炉墙内侧烟气温度 tf1 = 511oC，烟气侧表面换热系数 h1 = 35W/(m2K) ；炉墙外空气温度 tf2= 22oC，空气侧表面换热系数 h2 = 15W/(m2K) ，该传热过程的传热系数及通过炉墙的热损失为 （） A、 0.82 0.83W/(m2K) ， 400 410W/m2 B、 0.84 0.85W/(m2K) ， 420 430W/m2 C、 1.10 1.12W/(m2K) ， 580 590W/m2 D、 1.201.22W/(m2K) ， 590 600W/m2 例题讲解 6. 锅炉炉墙由三层平壁组成，内层是耐火砖层，外层是红砖层，中间是石棉保温层。由内到外三层的厚度和导热系数分别是 1 = 0.23m， 1 = 1.20W/(mK)； 2 = 0.05m， 2 = 0.095W/(mK)； 3 = 0.24m， =0.06W/(mK)。炉墙内侧烟气温度 tf1 = 511oC，烟气侧表面换热系数 h1 = 35W/(m2K) ；炉墙外空气温度 tf2= 22oC，空气侧表面换热系数 h2 = 15W/(m2K) ，该传热过程的传热系数及通过炉墙的热损失为 （） , 炉墙内外壁的温度？ A、 0.82 0.83W/(m2K) ， 400 410W/m2 B、 0.84 0.85W/(m2K) ， 420 430W/m2 C、 1.10 1.12W/(m2K) ， 580 590W/m2 D、 1.201.22W/(m2K) ， 590 600W/m2 例题讲解 6. 已知一平壁传热过程的传热系数为 100W/(m2K) ，热流体侧的表面传热系数为 200W/(m2K) ，冷流体侧的表面传热系数为250W/(m2K)，平壁单位面积的导热热阻为 （） , A、 0.01 m2K /W B、 0.001 m2K /W C、 0.02 m2K /W D、 0.002 m2K /W 例题讲解 7. 有一厚度为 50mm的无限大平壁，其稳态温度分布为 t = 200 2000x2 ，大平板的导热系数为 40W/(mK) ，大平壁中的内热源强度为 （） , A、 0 B、 8000W/m3 C、 8000W/ m3 D、 160000W/ m3 022 vqx t 例题讲解 8. 半径为 3mm的电线包一层厚 3mm，导热系数为 = 0.086W/(mK) 的橡胶， 设完橡胶厚其外表面与空气间的传热系数为 h1 = 11.6W/(mK) ，计算热绝缘直径，并分析橡胶的作用 （） A、 14.8mm，减少散热 B、 14.8mm，增强散热 C、 12.0mm，增强散热 D、 12.0mm，减少散热 例题讲解 9. 等截面直肋，为提高肋片效率，下列方法正确的是 （） A、 增加肋片的导热系数 B、 增大肋片的表面传热系数 C、 减小肋片厚度 D、 增加肋片的长度 例题讲解 10. 室外电线的电流保持不变，当去掉绝缘层后电缆的温度变化为 （） A、 温度不变 B、 温度降低 C、 温度升高 D、 不能确定 三、 非稳态导热 导热微分方程中 t/不等于 0，意味着 任何非稳态导热过程必伴随着加热或冷却过程 ； 在垂直于热量传递方向上， 每一截面的热流量不相等 ； 非稳态导热可分为 周期性和非周期性 两种类型。非周期性非稳态导热存在受初始条件影响的 非正规状况阶段 和初始条件影响消失只受边界条件和物性影响的 正规状况阶段 数学描述 3.1 非稳态导热的特点 vqztytxttc )(2222223.1 非稳态导热的特点 3.2 对流边界条件下的非稳态导热 Bi 准则 Bi = h/，表示物体 内部的导热热阻 /与 外部对流换热1/h热阻 的比； Bi , 对流换热热阻趋于零，第三类边界条件转化为第一类边界 ； Bi 0， 导热热阻趋于 0， 物体内部温度趋于一致，温度分布与空间位置无关 Bi中定性尺寸的确定： 球、柱体取半径 R； 大平壁取厚度 2的一半 ； 不规则体取体积与表面积的比 V/A 3.2 对流边界条件下的非稳态导热 一维非稳态导热的三种情形 )0(1 Bih )1(1 OBih )(1 Bih3.2 对流边界条件下的非稳态导热 集总参数法 物体内的温度分布 ： 适用条件 ： Bi 0.1，瞬态导热的加热和冷却问题，可用集总参数法 求解 例题讲解 2. 一体积为 20cm 30cm 60cm的铁块，导热系数为 64W/mK，突然置于平均表面换热系数为 12 W/m2 K 的自然对流环境中，求其 Bi数，并判断其是否可采用集总参数法（） A、 0.011，不可以 B、 0.011，可以 C、 0.009，不可以 D、 0.009，可以 例题讲解 3. 一直径为 0.5mm的热电偶，材料的导热系数为 125W/mK， = 8930kg/m3， c = 400J/(kg K) 。热电偶的初始温度为 25oC，突然放入 120oC的气流中，热电偶表面与气流间的对流换热系数为 95 W/m2 K ，求热电偶的过余温度到初始过余温度 1%所需的时间为（） s A、 8 12 B、 13 17 C、 18 22 D、 23 27 )e x p (0 cVhA 例题讲解 4. 采用集总参数法计算物体非稳态导热时，下列用以分析和计算物体的特征长度的方法中，错误的是（） A、对于无限长圆柱 L= R/2，对于圆球体 L= R/3， R为半径 B、对于无限大平板 L = ， 为平板厚度的一半 C、对于不规则物体 L = V/F D、对于普通圆柱 L = R， R为半径 四、 导热问题的数值解 有限差分法是把物体分割为有限数目的网格， 在网格节点上将微分方程变为代数离散，通过数值计算求解代数方程组求取网格节点的温度 。 4.1 有限差分法的原理 四、 导热问题的数值解 4.2 建立离散方程的方法 泰勒级数展开法 一阶导数展开 kikikittt 1)( 1)( kikikittt向前差分 向后差分 二阶导数展开 2,1,1,2