传热学复习资料教学课件PPT.ppt
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1、传 热 学 复 习,绪 论,0-1 热量传递的三种基本方式的概念、特点及基本定律 1)导热 概念: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量传递称导热。,导热的计算:,定义:流体中(气体或液体)温度不同的各部分之间,由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,2) 对流(热对流),对流换热:当流体流过一个物体表面时的热量传递过程,与单纯的对流不同。,对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,定义:物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。 因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。,3)热辐射,黑体辐射的控制方程: Stefan-Boltzman
2、n 定律,真实物体则为:,两黑体表面间的辐射换热,辐射换热:物体间靠热辐射进行的热量传递 与单纯的热辐射不同,就像对流和对流换热一样。,传热过程中传递的热量为:,传热系数 ,是表征传热过程强烈程度的标尺,不是物性参数,与过程有关。,0-2 传热过程和传热系数,传热过程的定义:两流体间通过固体壁面进行的换热,2. 傅里叶定律,垂直导过等温面的热流密度,正比于该处的温度梯度,方向与温度梯度相反。,第一章 导热理论基础,1. 基本概念:温度场;等温面;等温线;温度梯度,3.导热系数,单位时间,单位面积,单位负温度梯度下的导热量。 导热系数的数值表征物质导热能力大小。,影响热导率的因素:物质的种类、材
3、料成分、温度、湿度、压力、密度等,4. 导热微分方程式,若物性参数 、c 和 均为常数:,理论基础:傅里叶定律 + 热力学第一定律,热扩散率: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 值大(即 值大或 c 值小)说明物体的某一部分一旦获得热量,该热量能在整个物体中很快扩散。在同样加热条件下,物体的热扩散率越大,物体内部各处的温度差别越小。,5. 导热过程的单值性条件,定解条件: 1 初始条件: = 0 时的温度分布 t = 0 =f (x,y,z) 2 边界条件:边界上的温度分布或换热条件。,( 1) 第一类边界条件,已知任一瞬间导热体边界上温度值:,(2)第二类边界条
4、件,已知物体边界上热流密度的分布及变化规律:,(3)第三类边界条件,当物体壁面与流体相接触进行对流换热时,已知任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数,牛顿冷却定律:,1.通过平壁的导热,控制方程,第二章 稳态导热,热流密度,第一类边界条件:温度分布,第三类边界条件:,多层平壁、第三类边界条件,线性分布,2.通过圆筒壁的导热,单层圆筒壁,第三类边界条件,稳态导热,单层圆筒壁,第一类边界条件,稳态导热,3.通过肋片的导热,肋片效率,第三章 非稳态导热的基本概念,1、非稳态导热的定义 物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。周期性非稳态导热、瞬态非稳态导热,2、瞬态非稳态导热两个不同的阶段
5、,非正规状况阶段(右侧面不参与换热):温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布,即:在此阶段物体温度分布受 t0 分布的影响较大,正规状况阶段(右侧面参与换热):当右侧面参与换热以后,物体中的温度分布不受 t0 影响,主要取决于边界条件及物性,此时,非稳态导热过程进入到正规状况阶段。,3 无限大平壁的瞬态导热,当 取级数的首项,板中心温度误差小于1%,傅立叶数,毕渥数,固体内的温度趋于一致,此时可认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下,这时需求解的温度仅是时间的一元函数,而与坐标无关, 好象该固体原来连续分布的质量与热容量汇总到一点上,而只有一个温度值那样。,忽略物
6、体内部导热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。,4. 集总参数法:,5.其他形状物体的瞬态导热,1)无限长圆柱体和球体,2)无限长方柱体,3)短圆柱体,4)正六面体,2.稳态导热问题的数值计算,第四章 导热问题数值解法基础,1.数值解法的实质: 把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场,用有限个离散点上的值的集合来代替,通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程,来获得离散点上被求物理量的值。该方法称为数值解法。 这些离散点上被求物理量值的集合称该物理量的数值解。,数学描述 区域离散化 代数方程的建立 内节点离散方程的建立(泰勒级数展开、热平衡法) 边界节点离散方程的建立(热平衡法)
7、节点离散方程组的求解,例:针肋如右图所示,碳钢 =43.2W/(m.K),求其温度分布。,该问题的数学描述为,网格划分如右图:,节点2:,同理得节点3:,节点4 用热力学第一定律,导入的热量应等于对流散出的热量:,节点1:,3. 节点离散方程组的求解,雅可比迭代法: (1)将三元方程变形为迭式方程:,(2)假设一组解(迭代初场),记为: 并代入迭代方程求得第一次解 ;,(3)以新的初场 重复计算,直到相邻两次迭代值之差小于允许值,则称迭代收敛,计算终止。,GaussSeidel迭代: (1)将三元方程变形为迭式方程:,(2)假设一组解(迭代初场),记为: 并代入迭代方程求得第一次解 ,每次计算
8、均用最新值代入。,(3)以新的初场 重复计算,直到相邻两次迭代值之差小于允许值,则称迭代收敛,计算终止。,1)时间向前差分,空间中心差分,称为显示格式,称为隐示格式,2)时间向后差分,空间中心差分,2.非稳态导热问题的数值计算,第五章 对流换热分析,(1) 流体流动的起因及流体的流动状态,1.影响对流换热系数的因素,(2) 流体的热物理性质,1.影响对流换热系数的因素(续),(3) 流体有无相变,(4) 换热表面的几何因素,2)连续性方程(continuity equation),3)动量方程(momentum equation),4)能量守恒方程 (energy equation),2.对流
9、换热微分方程组,1)换热微分方程,边界层的提出,1)流动(速度)边界层 2)热(温度)边界层,3、边界层换热微分方程组,局部表面传热系数 的表达式,注意:层流,求解层流边界层对流换热微分方程组,可得:,离平板前缘 x 处边界层厚度,范宁局部摩擦系数,平均换热系数,流动边界层与热边界层之比,4.边界层换热积分方程,1. 动量积分方程,2. 能量积分方程,当 Pr = 1时,,5. 动量传递和热量传递的类比,实验测定平板上湍流边界层阻力系数为:,常见准则数的定义、物理意义和表达式,及其各量的物理意义,6. 相似原理及量纲分析,自然对流换热:,混合对流换热:,强制对流:,模化试验应遵循的准则数方程,
10、试验数据的整理形式:,第六章 单相流体对流换热及准则关联式,一、紊流换热,6-1 管内受迫对流换热,流体与壁面温度差不大(空气50C;液体20C) 迪图斯贝尔特公式(DittusBoelter correlations),二、过渡流换热,6-1 管内受迫对流换热(续),三、层流换热 短管,2)若管子很长,,一、外掠单管,6-2 外掠圆管对流换热,局部换热系数,常热流条件 层流:分离点出现在=800附近,这里Nu最小。 紊流: Nu出现两次低谷。第一次出现在层流到紊流的转变区;第二次出现在=1400附近,即流动的分离点。,5. 平均换热系数,特征温度: tf 特征长度: 管外径 Pr10, m=
11、0.37; Pr10, m=0.36. C, n: 表 6-1,适用条件:,流体横掠管束的平均换热系数计算式,1)s1横向节距, m 2)s2纵向节距, m 3)系数和指数c, m, n, p,表6-2 4)cz管排修正系数, 表6-3;z20时, cz=1 5)c流体斜向冲刷管束时的修正系数,本书略 6)定性温度 7)定型尺寸:管外径 8)Re中的速度用管束中的最大流速umax,(6-14),6-3 自然对流换热,一 、无限空间自然对流换热,格拉晓夫数,1. 准则数,瑞利数,常壁温条件,2. 准则关联式,特征温度:tm= (tw+tf)/2 C, n, 特征长度:表6-4, pp.170,常
12、热流条件,引入包含热流密度的Gr*,层流:,紊流:,注意:倾斜表面,用gcos替代g。 为表面与g的夹角。,二、 有限空间中的自然对流换热,特点:壁面上边界层的发展受到限制 形式:竖直夹层;水平夹层;倾斜夹层 总热流密度表达方式:导热;对流,经验关联式,式中常数C,m,n 取值如 表6-5,凝结:气体遇冷而变成液体。 凝结换热: 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。,沸腾:工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。 沸腾换热:指工质通过气泡运动带走热量,并使其冷却的一种传热方式。,相变换热的特点:由于有潜热释放和相变过程的复杂性,比单相对流换热更复杂,因此,目前,工程上也只
13、能助于经验公式和实验关联式。,第七章 凝结与沸腾换热,(2) 局部对流换热系数,整个竖壁的平均表面传热系数,(3) 修正:实验表明,由于液膜表面波动,凝结换热得到强 化,因此,实验值比上述得理论值高20左右,修正后:,定性温度:,注意:r 按 ts 确定,1 层流膜状凝结理论解,(4) 水平圆管,努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结,式中:下标“ H ”表示水平管,“ S ”表示球;d 为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同。,横管与竖管的对流换热系数之比:,3. 湍流膜状凝结换热,液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1800。横管因直径较小,实践上均在层流范围。
14、 对湍流液膜,除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外,层流底层之外以湍流传递为主,换热大为增强。,对竖壁的湍流凝结换热,其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为:,式中:hl 为层流段的传热系数; ht 为湍流段的传热系数; xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度,准则关联式:,Galileo Number,4. 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施,1) 不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力,同时使饱和温度下降,减小了凝结的驱动力 严重性:1% 的不凝结气体能使 h降低 50%左右 措施:有效排除不凝气体,使设备正压运行,加装抽气装置(负压运行时),2) 蒸气流速
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