1传热基本概念和定律

2019/12/15
电阻电热推进器 两层结构的、具有菱形立柱状加热器的新 型微推进器。喷管喉部尺寸为10－80μm
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电阻电热推进器
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微型电阻电火箭
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微推进器结构图
气化腔：1000×500×10μm 加热功率：40W 加热电阻：820×440×2μm 加热时间：10μs～1ms
(3)导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c 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。
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(4)导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier:
Φ A dt
dx
q Φ dt
A
dx
W
W m2
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2.3 热辐射(Thermal radiation)
(1) 定义： 有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。
(2) 特点：
a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间
发出热辐射；
b 可以在真空中传播；
c 伴随能量形式的转变；
d 具有强烈的方向性；
e 辐射能与温度和波长均有关；
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参考 书
教 材：《固体火箭发动机传热学》郑亚等编著 辅助教材：《传热学》 杨世铭、陶文铨编著，第三版 《数值传热学》 陶文铨编著 Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills Heat Transfer , by J.P.Holman
(2) 热量传递过程的推动力：温差 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
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1.2 传热学与工程热力学的关系
(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science)

系统从一个平衡态到 另一个平衡态的过程 中传递热量的多少。
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Passive Cellular Core Jet Blast Deflector Construction
2019/12/15
电子器件冷却
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新材料
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1.4 传热过程的分类
按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。
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(3)对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热
图2-3 对流换热中边界层的示意图
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(4) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
Φ hA(tw t ) W
qΦ A
h(tw t f ) W m2
y 流动方向
t
t
Φ

1 (hA) Rh
q t t 1 h rh
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(6) 对流换热热阻： (Thermal resistance for convection)
Φ t t
1 (hA) Rh q t t
1 h rh
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2 C W ]
f 发射辐射取决于温度的4次方。
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202052715固体火箭发动机中的传热现象图12固体火箭发动机简图燃烧室喷管推进剂点火装置1固体火箭发动机的工作过程是一个典型的由固体推进剂装药的化学能转变为固体火箭飞行动能的过程固体推进剂装药燃烧后不断地产生大量的高温最高达3000k以上和有一定压力几兆帕到一二十兆帕左右的燃气并连续排出
学习内容安排
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2 热量传递的三种基本方式
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。
2.1 导热（热传导）(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 动而进行的热量传递现象
(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生
b 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？
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？
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(2) 几个特殊领域中的具体应用
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
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(5) 对流换热系数(表面传热系数) （Convection heat transfer coefficient）
h Φ ( A(tw t )) W (m2 K)
h物理意义：当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量。

影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等
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2.2 对流（热对流）(Convection)
(1)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) 对流换热： 当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对
流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层

关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。
铁块, M1 300oC
热力学：tm Φ 热传递过程总的热量，以及
各稳定状态的状态参数，时间可能是无限的
传热学： t(x, y, z, ) 热传递过程的瞬态
水，M2 20oC
Φ f ( ) 或非稳定情况 图1-1 传热学与热力学的区别
(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始
0
tw1

q

tw1
tw2


t r

Φ
tw1 tw2


t R
A
R

A
导热热阻
tw1
Q
tw2
A
图2-2 一维稳态导热
简化结果
r


单位导热热阻
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例题 2-1 一块厚度δ =50 mm 的平板， 两侧表面分别维 持在 tw1 300oC,tw2 100oC. 试求下列条件下的热流密度。 (1)材料为铜，λ =375 w/(m·K ); (2)材料为钢， λ =36.4 w/(m·K ); (3)材料为铬砖， λ =2.32 w/(m·K )； (4)材料为铬藻土砖， λ =0.242 w/(m·K )。 解：参见图2-1和图2-2。 及一维稳态导热公式有：
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b 微机电系统（MEMS） ： 电子芯片冷却 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
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考核方法
平时成绩: 30% (包括：出勤及小测验) 期末考试: 70%
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第一讲 传热基本概念 和定律
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1 概述
1.1 传热学（Heat Transfer）
(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的 机理、规律、计算和测试方法

0.05
m2
硅藻土砖：
q


tw1


tw2
0.242 300 100 9.68102 W 0.05
m2
讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差
别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土
砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体， 而
硅藻土砖则起到一定的隔热作用。
(3)在设计火箭发动机各部件结构时，就需要从它们在受热状 态下的实际强度出发，或者要考虑在各部件上分别采取热防 护措施。因此，也就需要了解各部件受热后的温度分布，需 要进行严格的传热计算。这就是传热学要解决的问题。
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(4)由于燃气向周围传热，将造成燃气的热损失。这种热损 失将反过来影响发动机内的能量转换规律及压力变化规律。 长期以来，由于固体火箭发动机内传热现象的复杂性，在 一般的内弹道研究中，考虑热损失的影响，通常都采用增 加比热比或减少火药力的间接方法进行修正。近年来，随 着计算技术的发展，已能够把非定常热传导包含在内弹道 方程之中，从而使得理论的研究更进一步准确化。
终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，
则 始终是守恒的
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1.3 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 (1) 日常生活中的例子：
a 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？
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铜：
q tw1 tw2 375 300 100 1.5106 W m2

0.05
钢： q tw1 tw2 36.4 300 100 1.46 105 W m2

0.05
铬砖：
q tw1 tw2 2.32 300 100 9.28103 W
上式称为Fourier定律，号称导热基本定
律，是一个一维稳态导热。负号表示导
热方向与温度梯度方向相反。其中：
t
dx
tw1
dt

Q
tw2
0
x
图2-1 一维稳态平板内导热
：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）[W/( m·K)]。
冷却技术失效时
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哥伦比亚航天飞机解体（Shuttle Columbia） Feb. 1st, 2003（STS-107 mission ）
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大推力液氢液氧火箭发动机推力室发汗冷却
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再生冷却的火箭发动机
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电阻电火箭
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自由流 V∞ T∞ V
Φ Tw
壁
— 热流量[W]，单位时间传递的热量
q — 热流密度 W m2
h — 表面传热系数(对流换热系数) W (m2 K) A — 与流体接触的壁面面积 m2
tw — 固体壁表面温度 C
t — 流体温度 C
图2-4 平壁上的对流换热
图1-2 固体火箭发动机简图
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(2)发动机中的传热现象是多种形式的。燃气除了将热量传 给装药以维持连续燃烧外，还同时把热量传给燃烧室壁、 喷管及挡药板。这些部件在这种高温燃气的作用下，温度 将急剧上升，材料强度将有明显下降的趋势。当发动机工 作时间较长时，这种强度下降的趋势就更为显著。特别是 在喷管喉部，通道面积最小，燃气密流最大，来自热燃气 的热流密度达到最大，工作条件最为恶劣。
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(5) 导热系数
表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和
温度关。
(6) 一维稳态导热及其导热热阻
如图2-1所示，简化结果如图2-2所示，稳态 q = const，
于是积分Fourier定律有：
q

dx
tw2
dt

q tw1 tw2
1.5 固体火箭发动机中的传热现象
(1)固体火箭发动机的工作过程是 一个典型的由固体推进剂装药的 化学能转变为固体火箭飞行动能 的过程，固体推进剂装药燃烧后 不断地产生大量的高温（最高达 3000K以上）和有一定压力（几兆 帕到一、二十兆帕左右）的燃气， 并连续排出。
燃烧室
推进剂
喷管
点火装置
挡药板
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微型化学推进器 同相催化微型化学推进器，采用过氧化氢工 质，测试实验，脉冲冲量可控制于0.1－1.6mNs
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超高音速飞行器
2019/12/15
高超音速领域的研究
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Passive Cellular Core Jet Blast Deflector
第一讲 传热基本概念和定律 第二讲 导热基本定律及稳态导热 第三讲 非稳态导热 第四讲 对流换热 第五讲 辐射换热 第六讲 固体火箭发动机中的传热基本知识 第七讲 固体火箭发动机中的热传导 第八讲 固体火箭发动机中的对流换热 第九讲 固体火箭发动机中的辐射换热与复合换热 第十讲 固体火箭发动机燃烧室的热防护 第十一讲 固体火箭发动机喷管的热防护 第十二讲 数值传热学概述