传热学传热学Heat transfer 第一章第一章 绪论绪论 Introduction本讲要点本讲要点 传热学学科的内涵传热学学科的内涵 传热研究在航空发动机技术进步中的意义传热研究在航空发动机技术进步中的意义 热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式 理解理解对流对流/对流换热、辐射对流换热、辐射/辐射换热辐射换热概念的差异概念的差异 掌握传热过程的概念掌握传热过程的概念 初步了解初步了解热阻热阻分析的应用思路分析的应用思路 结合专业特点，了解传热学的应用背景结合专业特点，了解传热学的应用背景 传热学与工程热力学的关系传热学与工程热力学的关系 - 能量守恒原理应用能量守恒原理应用 辨析热量辨析热量/热流量热流量/热流密度等概念热流密度等概念1-1 概述概述一、传热学学科简介一、传热学学科简介 1) 研究热量传递规律的一门科学研究热量传递规律的一门科学 传热的条件是什么？传热的条件是什么？热力学第二定律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 有温差就会有传热有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力温差是热量传递的推动力日常生活中的例子：日常生活中的例子： 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差传热很普遍传热很普遍 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房度，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？间里所穿的衣服能否一样？为什么？ 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：30度）的空气和水中度）的空气和水中 的感觉不一样。为什么？的感觉不一样。为什么？ 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利 于保温。如何解释其道理？夹层越厚越好？于保温。如何解释其道理？夹层越厚越好？ 2) 涉及到许多工程学科，是一门基础科学涉及到许多工程学科，是一门基础科学 在以下领域大量存在传热问题在以下领域大量存在传热问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、新能源、微电子、核能、航空航天、新材料、生物工程新材料、生物工程 燃气涡轮发动机热端部件强化冷却燃气涡轮发动机热端部件强化冷却压缩过程压缩过程 燃烧过程燃烧过程膨胀过程膨胀过程进排气进排气航空宇航科学技术中的典型应用航空宇航科学技术中的典型应用 航空发动机涡轮叶片冷却燃气涡轮发动机涡轮前温度变化趋势燃气涡轮发动机涡轮前温度变化趋势 传热研究面临的挑战传热研究面临的挑战 精确的传热分析模型精确的传热分析模型 高效强化传热技术高效强化传热技术 受热状态是影响燃气涡轮动力装置高温零件可靠性受热状态是影响燃气涡轮动力装置高温零件可靠性和寿命的决定因素之一。和寿命的决定因素之一。 在涡轮叶片设计中，温度在涡轮叶片设计中，温度估计的估计的 100K 温差将带来叶片寿命一个数量级的误差，温差将带来叶片寿命一个数量级的误差，为了保证可靠工作，不得不采用为了保证可靠工作，不得不采用“过冷却过冷却”的办法来的办法来弥补对温度估计的误差，这样就不能充分有效地利用弥补对温度估计的误差，这样就不能充分有效地利用现有的冷却技术。现有的冷却技术。 为了适应涡轮叶片进口温度不断提高的高性能燃气为了适应涡轮叶片进口温度不断提高的高性能燃气轮机的发展趋势，国内外普遍应对的技术途径集中在轮机的发展趋势，国内外普遍应对的技术途径集中在两个方面：即高温耐热材料的研究和高效传热冷却技两个方面：即高温耐热材料的研究和高效传热冷却技术的研究。术的研究。燃烧室火焰筒壁面冷却 传热学在发动机设计体系中的应用研究传热学在发动机设计体系中的应用研究 高温升、高热容主燃烧室及加力燃烧室设计技术高温升、高热容主燃烧室及加力燃烧室设计技术 火焰筒壁面冷却技术火焰筒壁面冷却技术 燃烧室出口温度场主动控制技术燃烧室出口温度场主动控制技术 加力燃烧室冷却技术加力燃烧室冷却技术 高负荷、高效率涡轮部件设计技术高负荷、高效率涡轮部件设计技术 高效涡轮冷却技术高效涡轮冷却技术 气气-固固-热多学科综合涡轮优化设计理论热多学科综合涡轮优化设计理论 涡轮部件稳态、过渡态热分析技术涡轮部件稳态、过渡态热分析技术 涡轮间隙控制方法涡轮间隙控制方法 矢量推进及排气系统设计技术矢量推进及排气系统设计技术 喷管冷却技术喷管冷却技术 尾喷流强化混合技术尾喷流强化混合技术 低红外辐射特征控制技术低红外辐射特征控制技术 发动机空气系统及热分析设计技术发动机空气系统及热分析设计技术 涡轮叶栅非定常传热涡轮叶栅非定常传热 旋转部件复杂流动和换热旋转部件复杂流动和换热 高效低阻热交换器设计技术高效低阻热交换器设计技术 封严结构流动换热封严结构流动换热 进气道防冰进气道防冰 飞行器红外隐身飞行器红外隐身 火箭发动机推力室高超音速飞行器高超音速飞行器电子器件冷却随着大规模集成电路的集成密度不断提高，电子器件每平方随着大规模集成电路的集成密度不断提高，电子器件每平方厘米的功率已有厘米的功率已有70年代的年代的10W左右提高到本世纪初的左右提高到本世纪初的100W量量级以上级以上 3) 与热力学构成热工基础的两大分支与热力学构成热工基础的两大分支 思思 考考 传热学与工程热力学的联系与区别？传热学与工程热力学的联系与区别？二、传热学与工程热力学的关系二、传热学与工程热力学的关系 热力学研究平衡态；热力学研究平衡态； 传热学研究过程和非平衡态传热学研究过程和非平衡态 传热学传热学：研究系统内或系统间发生的热量传递速率。：研究系统内或系统间发生的热量传递速率。 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础传热学以热力学第一定律和第二定律为基础 热量热量 Q 传递始终是从高温物体向低温物体传递；传递始终是从高温物体向低温物体传递；在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终在热量传递过程中若无能量形式的转换，则热量始终保持守恒。保持守恒。 工程热力学工程热力学：研究处于平衡状态的系统内部热能与：研究处于平衡状态的系统内部热能与 其他形式能量之间相互转换的规律其他形式能量之间相互转换的规律传热学与工程热力学研究的问题不同传热学与工程热力学研究的问题不同 热力学：热力学：Tm , Q 热量热量水，水，M220oC铁块，铁块，M1300oC 传热学：热量传递速率传热学：热量传递速率 热流量热流量应将热力学中的应将热力学中的热量热量( (单位：焦耳单位：焦耳) )与传热学与传热学中的中的热流量热流量( (单位：瓦单位：瓦) )区别开来。区别开来。1-2 热量传递的基本方式热量传递的基本方式一、一、 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)热量传递的三种基本方式：热量传递的三种基本方式： 导热导热(热传导热传导)、对流、对流(热对流热对流)和热辐射和热辐射。1、定义：相互接触而温度不同的物体之间，或同一、定义：相互接触而温度不同的物体之间，或同一物体温度不同的各部分之间，由于微观粒子的热运动物体温度不同的各部分之间，由于微观粒子的热运动而引起的热传递现象。而引起的热传递现象。2、导热的特点、导热的特点 物体直接接触物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量传递热量 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中 物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生物质的属性；可以在固体、液体、气体中发生 傅里叶定律傅里叶定律: 是根据热传导实验得到的纯属现象学是根据热传导实验得到的纯属现象学的一个定律，经过数学上的处理推广而的一个定律，经过数学上的处理推广而得到的规律性总结得到的规律性总结-本构关系本构关系3、导热的基本定律、导热的基本定律1822年，法国数学家年，法国数学家Fourier导热热流为导热热流为：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量W；q：热流密度，单位时间通过单位面：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积m2；dT/dx表示该截面上沿表示该截面上沿热流方向的温度增量，或称为温度梯度（热流方向的温度增量，或称为温度梯度（K/m) ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）W/( m K)。 ：平壁两侧壁温之差：平壁两侧壁温之差4、热导率（导热系数）、热导率（导热系数） 具有单位温度差（具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体）的单位厚度的物体(1m)，在，在它的单位面积上它的单位面积上(1m2)、每单位时间、每单位时间(1s)的导热量的导热量(J)热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定热导率表示材料导热能力大小；物性参数；实验确定注：注：传热学中热流量的单位是传热学中热流量的单位是W， 而非而非J； W= J/s 热热流流量量是是单单位位时时间间传传递递的的热热量量；体现了传热的速率或快慢；体现了传热的速率或快慢； 传热是一个过程，而非平衡态；传热是一个过程，而非平衡态； 这与热力学有区别这与热力学有区别5、导热热阻、导热热阻：与直流电路的欧姆：与直流电路的欧姆 定律定律 I=U/R 相似相似 例题例题1-1为为了了测测量量某某材材料料的的导导热热系系数数，用用该该材材料料制制成成一一块块厚厚5mm的的平平板板试试件件，平平板板的的长长和和宽宽远远大大于于厚厚度度，在在平平板板的的一一侧侧采采用用电电热热膜膜加加热热，并并保保证证所所有有的的加加热热热热量量均均通通过过该该侧侧传传至至平平板板的的另另一一侧侧。在在稳稳定定状状态态下下，测测得得平平板板两两侧侧表表面面的的温温度度差差为为40，单单位位面面积积的的热热流量为流量为9500 W/m2，试确定该材料的导热系数。，试确定该材料的导热系数。 绝热层试 件二、热对流二、热对流 - Convection 流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热传导热对流必然同时伴随着热传导1、定定义义：流流体体中中（气气体体或或液液体体）温温度度不不同同的的各各部部分分之之间间，由由于于发发生生相相对对的的宏宏观观运运动动而而把把热热量量由由一一处处传传递递到另一处的现象到另一处的现象2、对对流流换换热热：流流体体与与固固体体壁壁间间存存在在相相对对运运动动,且且二二者者之之间间存存在在温温差差时时所所发发生生的的热热量量传传递现象。递现象。工程上感兴趣的是：流体沿一固体表面流动换热的情况工程上感兴趣的是：流体沿一固体表面流动换热的情况对流换热对流换热3、对流换热的特点、对流换热的特点：(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；(2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动； 也必须有温差也必须有温差(3) 由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴由于流体的黏性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 对流换热与热对流不同，既有对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；热对流，也有导热； 不是基本传热方式不是基本传热方式 注：对流换热与热对流有区别注：对流换热与热对流有区别 5、对流换热的基本计算式、对流换热的基本计算式牛顿冷却公式（牛顿冷却公式（1701）4、对流换热的分类、对流换热的分类无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热 热流量热流量W，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量 热流密度热流密度 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积 固体壁表面温度固体壁表面温度 流体温度流体温度 表面传热系数表面传热系数 qAh形式简单，内涵复杂形式简单，内涵复杂 6、表面传热系数（对流换热系数）、表面传热系数（对流换热系数） 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量面积上、单位时间内所传递的热量影响影响h因素：因素：流速、流体物性、壁面形状大小等流速、流体物性、壁面形状大小等7、对流换热热阻：、对流换热热阻： 例题例题1-2一一根根外外径径为为0.3m， 壁壁厚厚为为3mm，长长为为10m的的圆圆管管，入入口口温温度度为为80的的水水以以0.1m/s的的平平均均速速度度在在管管内内流流动动，管管道道外外部部横横向向流流过过温温度度为为20的的空空气气，实实验验测测得得管管道道外外壁壁面面的的平平均均温温度度为为75，水水的的出出口口温温度度为为78。已已知知水水的的定定压压比比热热为为4187J/(kgK)，密密度度为为980kg/m3，试确定空气与管道之间的对流换热系数。，试确定空气与管道之间的对流换热系数。 807820三、热辐射三、热辐射 - Radiation1、定义、定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递由热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象能量的现象 物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种 类不同、表面状况不同，其辐射能力不同类不同、表面状况不同，其辐射能力不同2、辐射换热、辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递物体间靠热辐射进行的热量传递注：辐射换热与热辐射有区别注：辐射换热与热辐射有区别 3、辐射换热的特点、辐射换热的特点(1) 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质 的存在，在真空中就可以传递能量的存在，在真空中就可以传递能量(2) 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能(3) 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物 体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量 总的结果是热由高温传到低温总的结果是热由高温传到低温 (动态平衡动态平衡)4、黑体黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。或称绝对黑体。 黑体的辐射能力与吸收能力最强黑体的辐射能力与吸收能力最强5、斯忒藩、斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 黑体向外发射的辐射能：黑体向外发射的辐射能： 实际物体辐射能力：低于同温度黑体实际物体辐射能力：低于同温度黑体 绝对黑体辐射力绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度）黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数， 实际物体表面的发射率（黑度），实际物体表面的发射率（黑度），01； 与物体的种类、表面状况和温度有关与物体的种类、表面状况和温度有关6、辐射换热系数、辐射换热系数 两个表面之间的辐射换热量两个表面之间的辐射换热量 ： 辐射换热往往与对流换热过程联系在一起辐射换热往往与对流换热过程联系在一起 小小于于1的的修修正正因因子子，它它主主要要考考虑虑辐辐射射表表面面相相对几何关系、表面辐射特性等因素对几何关系、表面辐射特性等因素 例题例题1-3一一块块辐辐射射率率为为0.8的的钢钢板板，面面积积为为1m2，表表面面温温度度为为30，试确定单位时间内钢板所发出的辐射能。，试确定单位时间内钢板所发出的辐射能。讨论讨论: 本例题计算的是钢板对外辐射出去的能量，本例题计算的是钢板对外辐射出去的能量，并不是辐射换热量。试想如果钢板所处的环境温并不是辐射换热量。试想如果钢板所处的环境温度也是度也是30，那么钢板与环境之间的辐射换热量，那么钢板与环境之间的辐射换热量是多少呢是多少呢? 1-3 传热过程简介传热过程简介一、传热过程一、传热过程：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热 传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成传热过程通常由导热、热对流、热辐射组合形成辐射换热辐射换热对流换热对流换热热传导热传导固壁固壁复合传热过程复合传热过程忽略辐射时忽略辐射时思考：发动机中的传热过程思考：发动机中的传热过程高温燃气高温燃气 金属壁外侧金属壁外侧金属壁外侧金属壁外侧 金属壁内侧金属壁内侧 金属壁内侧金属壁内侧 冷却空气冷却空气 假设假设传热过程处于稳态：传热过程处于稳态：忽略辐射时忽略辐射时 k越大，传热越好。若要增大越大，传热越好。若要增大 k，h的强化及增加的强化及增加k值的措施是传热学的重要内容之一值的措施是传热学的重要内容之一二、传热系数与传热热阻二、传热系数与传热热阻传热学研究方法传热学研究方法实验研究实验研究 + + 理论分析理论分析 + + 数值模拟数值模拟 通过实验观察与测试，深刻认识基本现象与规律、通过实验观察与测试，深刻认识基本现象与规律、积累第一手实验数据资料积累第一手实验数据资料 在实验和分析的基础上，采用宏观和微细观相结在实验和分析的基础上，采用宏观和微细观相结合的方法，发展出能够正确反映物理现象规律的数合的方法，发展出能够正确反映物理现象规律的数理模型理模型 采用数值模拟手段进行热现象的数值模拟研究，采用数值模拟手段进行热现象的数值模拟研究，进一步揭示物理现象本质进一步揭示物理现象本质传热学发展简史传热学发展简史18世世纪纪30年年代代首首先先从从英英国国开开始始的的工工业业革革命命促促进进了了生生产产力力的的空空前前发发展展。生生产产力力的的发发展展为为自自然然科科学学的的发发展展成长开辟了广阔的道路成长开辟了广阔的道路传传热热学学这这门门学学科科就就是是在在这这种种大大背背景景下下发发展展成成长长起起来来的，理论体系不断完善的，理论体系不断完善 发展发展-创新创新三三种种传传热热方方式式基基本本理理论论的的确确立立经经历历了了各各自自独独特特的的历历程程 挑战挑战-突破突破学习过程是孕育创新能力的过程学习过程是孕育创新能力的过程(一一) 热传导热传导傅里叶被公认为导热理论的奠基人傅里叶被公认为导热理论的奠基人（启示）（启示） 19世世纪纪初初，兰兰贝贝特特、毕毕渥渥、傅傅里里叶叶都都从从固固体体一一维维导导热热的的实实验验研研究究入入手手开开展展研研究究，1804年年，毕毕渥渥根根据据实实验验提提出出了了导导热热过过程程的的本本构构公公式式：提提高高了了对对导导热热规规律律的的认认识，只是粗糙了一点识，只是粗糙了一点 傅里叶在进行实验研究的同时，十分注重数学工具傅里叶在进行实验研究的同时，十分注重数学工具的运用，很有特色。的运用，很有特色。1822年年发表了著名的论著：热的发表了著名的论著：热的解析理论，成功地创建了导热理论解析理论，成功地创建了导热理论 在在傅傅里里叶叶之之后后，导导热热理理论论求求解解的的领领域域不不断断扩扩大大，雷雷曼、卡斯劳、耶格尔、雅各布等人的工作曼、卡斯劳、耶格尔、雅各布等人的工作(二二) 对流换热对流换热 流流体体流流动动的的理理论论是是对对流流换换热热理理论论的的前前提提。1823年年纳纳维维尔尔提提出出的的流流动动方方程程可可适适用用于于不不可可压压缩缩流流体体，1845年年经经斯斯托托克克斯斯改改进进为为N-S方方程程，完完成成了了建建立立流流体体流流动动基基本本方程的任务方程的任务-求解困难求解困难 挑战挑战 1880年雷诺进行了著名的雷诺实验年雷诺进行了著名的雷诺实验 实验研究实验研究 普普朗朗特特于于1904年年提提出出了了著著名名的的边边界界层层理理论论、玻玻尔尔豪豪森引入了热边界层概念森引入了热边界层概念 理论分析的突破理论分析的突破 1909-1915年努塞尔获得了有关无量纲数之间的原则年努塞尔获得了有关无量纲数之间的原则关系，有力地促进了实验研究求解对流换热问题的进关系，有力地促进了实验研究求解对流换热问题的进展。展。努塞尔成为发展对流换热理论的先驱努塞尔成为发展对流换热理论的先驱 近代发展中，麦克亚当、贝尔特、埃克特等近代发展中，麦克亚当、贝尔特、埃克特等(三三) 辐射换热辐射换热 在在热热辐辐射射的的早早期期研研究究中中，认认识识黑黑体体辐辐射射的的重重要要意意义义并并用用人人工工黑黑体体进进行行实实验验研研究究对对于于建建立立热热辐辐射射的的理理论论具有重要作用具有重要作用 19世纪初斯忒藩根据实验确立了黑体辐射力与温度世纪初斯忒藩根据实验确立了黑体辐射力与温度的的4次方成正比的规律，后来在理论上为玻尔兹曼所次方成正比的规律，后来在理论上为玻尔兹曼所证实证实 维恩、普朗克、基尔霍夫等相继提出辐射基本定律维恩、普朗克、基尔霍夫等相继提出辐射基本定律 20世纪初提出角系数的概念，工程辐射换热计算世纪初提出角系数的概念，工程辐射换热计算参考书参考书传热学传热学章熙民、任泽霈等编著章熙民、任泽霈等编著传热应用与分析传热应用与分析罗棣庵编著罗棣庵编著 Fundamentals of Heat and Mass Transfer F.P. Incropera, D.P. DeWitt热传导热传导奥齐西克著奥齐西克著对流换热对流换热任泽霈编著任泽霈编著数值传热学数值传热学陶文铨编著陶文铨编著辐射换热辐射换热王兴安、梅飞鸣编王兴安、梅飞鸣编传热学传热学（第四版）杨世铭，陶文铨编著（第四版）杨世铭，陶文铨编著