★Chapter10-11对流换热-辐射换热-邱

速度边界层
温度边界层
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10-1 概述
一、牛顿冷却公式
牛顿冷却公式
= A h( tw－tf )
q = h( tw－tf )
其中：
h—整个固体表面的平均表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体主流温度；对 于内部流动，tf 取流体的平均温度。
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11-1 热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
镜反射与漫反射： 物体表面对辐射的反射有两种：镜反射与漫反射
(a)镜反射
反射角=入射角
(b)漫反射
被反射的辐射能在各个 方向均匀分布 产生何种反射决于 物体表面的粗糙程度 和 投射辐射能的波长 。 当粗糙程度尺度小于投射辐射能的波长时，就会产生镜反射， 反之就会产生漫反射。绝大多数工程材料的热辐射的反射都 近似于漫反射。
一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型
空气自然对流换热
空气强迫对流换热 水自然对流换热 水强迫对流换热 水沸腾
1～10
10～100 100～1000 1000～15000 2500～35000
水蒸气凝结
Байду номын сангаас
5000～25000
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第十章小结
重点掌握以下内容： （1）牛顿冷却公式 （2）对流换热的影响因素 （3）对流换热系数的数值概念
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(1) 流动的起因 流动的起因，影响流体的速度分布与温度分布。 强迫对流换热 自然对流换热 一般说来，自然对流的流速较低，因此自然对流换 热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。 例如：气体自然对流h在1~10W/m2· K，而气体强迫 对流h在10~100W/m2· K。
Eb T
4
兰贝特定律（在空间的分布）
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11-2 黑体辐射的基本定律
一、普朗克定律
1900年，普朗克(Max Planck)在量子假设基础上，给出了黑体的 光谱辐射力Ebλ与热力学温度T、波长λ之间的函数关系，称之为 普朗克定律。
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第十一章 辐射换热
回顾：热量传递的基本方式
热辐射是热量传递的基本方式之一， 以热辐射方式进行的热量交换，称为辐射 换热。
本章主要从宏观的角度介绍热辐射的 基本概念、基本定律以及辐射换热的计算 方法。
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11-1 热辐射的基本概念
特点：
1.任何物体，只要高于绝对零度，就会不停向周围 空间发出热辐射 2.可以在真空中传播 3.伴随能量形式的转换和转移 4.具有强烈的方向性（正午太阳、取暖器） 5.辐射能与温度、波长均有关
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11-1 热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
投入辐射: 单位时间内投射到单 位面积物体表面上的全波长范 围内的辐射能。G，W/m2
吸收辐射: G W/m2
反射辐射: G W/m2 透射辐射: G W/m2
根据能量守恒，
G 吸收比 G
G G G G G G 反射比 透射比 G G
1 h hx dA A A
如何确定表面传热系数的大小，是对流换热计算 的核心问题，也是本章讨论的主要内容。
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和热对流两种基本传热方 式共同作用的结果。 因此，凡是影响流体导热和热对流的因素，都将 对对流换热产生影响。主要有以下五个方面： (1) (2) (3) (4) (5) 流动起因 流动状态 流体有无相变 流体的物理性质 换热表面的几何因素
辐射力与光谱辐射力之间的关系
E


0
E d
定向辐射力：在单位时间内，单位面积表面向某方向 发射的单位立体角内的辐射能。用 E 表示，单位为 W/(m2sr)。
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11-1 热辐射的基本概念
四、辐射力
辐射力与定向辐射力之间的关系： 半球空间 vs 单位立体角
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A 2 r
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11-1 热辐射的基本概念
三、辐射强度、立体角
辐射强度
定义：单位时间内从单位投影 面积（可见面积）所发出的包 含在单位立体角内的所有波长 的辐射能。
d L , dA1 cos d
为定向辐射强度，单位是W/(m2Sr)。
E

2
E d
定向辐射力与辐射强度之间的关系： 表面 vs 投影面
E L cos
辐射力与辐射强度之间的关系：
E

2
L cos d
表面、半球空间 vs 投影面、单位立体角
L , d dA1cos d
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Re vd /
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(3) 流体有无相变
沸腾换热：吸收汽化潜热(相变热)，气泡强烈扰动
凝结换热：放出汽化潜热(相变热)
典型实例：热管，其工作过程如下： 1）热量从热源通过热管管壁和充满工作 液体的吸液芯传递到液-汽分界面 2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发 3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段 4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结 5）热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体 和管壁传给冷源 6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的 工作液体回流到蒸发段
相对位置 表面粗糙度等几何因素， 将影响流体的流动状态， 因此影响流体的速度和温 度分布，对对流换热产生 影响。
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
综上所述，影响对流换热的因素很多，表面 传热系数h是很多变量的函数：
h f

u , tw , tf , , , c , , , l ,
一、吸收、反射与投射
注意： （1） , , 属于物体的光谱辐射特性，取决
于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。 , , 不仅取决于物体的性质，还与投射辐 射能的波长分布有关。 （ 2 ）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上 属于表面效应。金属：表面层厚度小于 1 m；绝 大多数非金属：表面层厚度小于1 mm。 （3）对于固体和液体， 0 , 1 。
特征长度（定型尺寸）

几何因素
研究对流换热的目的之一就是确定不同换热条件下 表面传热系数的具体表达式，主要方法包括分析法、 数值法、实验法和比拟法。 对流换热的数学描述，及其表面传热系数计算公式 的推导，大家自学。
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10-1 概述
表面传热系数 h，W /( m2K)
1
, ,

与 , ,

的
关系： 0 G d

0
G d


0
G d


0
G d


0
G d


0
G d
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11-1 热辐射的基本概念
L

0
L d
光谱辐射强度的单位为W/(m3Sr)或W/(m2mSr)。
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11-1 热辐射的基本概念
四、辐射力
辐射力：在单位时间内，每单位面积表面向半球空间 发射的全部波长的辐射能。用E表示，单位为W/m2。
光谱辐射力：在单位时间内，每单位面积的物体表面 向半球空间发射的某一波长的辐射能，用E表示，单 位为W/m3。
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人工黑体模型
内表面吸收比较高
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11-1 热辐射的基本概念
三、辐射强度、立体角
辐射强度 说明物体表面在空间某个方向上发射辐 射能的多少。 立体角： 半径为r 的球面上面积 A 与球心 所对应的空间角度，
单位为Sr（球面度）
（，）方向上的微元面积 dA2对球心所张的微元 立体角 dA2 rd r sin d d 2 = sin d d 2 r r
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10-1 概述
一、牛顿冷却公式
牛顿冷却公式
对于局部对流换热，
q x hx tw tf x


A
q x dA
h t
A x
w
t f x dA t w t f h x dA
A
对等壁温， t w t f x t w t f 常 数 对照式 = A h( tw－tf ) 可得:
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(4) 流体的物理性质 1）热导率，W/(mK)，愈大，流体导热热阻 愈小，对流换热愈强烈 2 ）密度 ， kg/m3 和比热容 c， J/(kgK)。 c反映 单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通 过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈 3 ）动力粘度 ， Pas；运动粘度 ＝ /， m2/s。 影响速度分布与流态，故影响对流换热
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11-1 热辐射的基本概念
1
G G 光谱透射比
一、吸收、反射与投射 根据能量守恒， G G G G
如果投入辐射是某一波长的辐射能G ，则
光谱吸收比
G G
G 光谱反射比

G
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(2) 流动的状态 层流: 流速缓慢，流体分层地平行于
壁面方向流动，垂直于流动方 向上的热量传递主要靠分子扩 散（即导热）
紊流: 流体内存在强烈的脉动和旋涡，使各部分流体之间迅
速混合。传热依靠分子扩散和湍流脉动，因此紊流对 流换热要比层流对流换热强烈，表面传热系数大 雷诺实验
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11-1 热辐射的基本概念
二、灰体与黑体
光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体。 灰体： 即 , , 分别等于常数： 吸收比 = 1的物体，简称黑体。黑体 绝对黑体： 和灰体一样，是一种理想物体。 镜体（漫反射时称为白体）： = 1 绝对透明体： = 1 黑体、白体与黑色、白色物体的 区别？
L , 称为dA1在（，）方向的辐射强度，或称
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11-1 热辐射的基本概念
三、辐射强度、立体角
辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、 温度，还与方向有关。对于各向同性的物体表面， L , L 。 辐射强度与角 无关， 光谱辐射强度： 对于某一波长辐射能而言的辐射 强度称为光谱辐射强度。 辐射强度与光谱辐射强度之间的关系
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辐射强度定义：单位时间内从单位投 影面积（可见面积）所发出的包含在 单位立体角内的所有波长的辐射能。
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11-2 黑体辐射的基本定律
普朗克（Planck）定律（按波长分布）
E b
C1 5 C / T e 2 1
斯忒藩—玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律（总体）
第十章
对流换热
Convection Heat Transfer
第十章 对流换热
回顾：热量传递的基本方式
对流换热：指流体流经固体时，流体与固体表面 之间的热量传递现象，是热对流与热传导共同作 用的结果。
对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却
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对流换热的特点： 1. 导热与热对流同时存在的复杂传热过程 2. 前提条件：必须有直接接触（流体与壁面）和宏观 运动；必须有温差 3. 由于流体的粘性，紧贴壁面处会形成速度梯度和温 度梯度很大的边界层
1 v 1 -1 4）体胀系数αV，K ；定义式： V v t p t p
影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升力的 大小，因此影响自然对流换热。
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、 尺寸