高等传热学-绪论

第一章 绪论
本课程的学习要点：
– 基本理论和分析方法 – 基本问题的物理特征 – 传热科学问题的凝练（建模） – 分析和解决问题的方法
第一章 绪论
1-1 传热研究的进展与展望 1-2 工程中传热问题举例 1-3 传热过程分析 1-4 建立合理的能量方程
1-1 传热研究的进展与展望
一、传热学的内涵
– – – 热传导的若干基本理论问题 辐射传热的若干基本理论问题 对流传热的若干基本理论问题（姚军）
考核方式
平时20％=考勤10%+作业10% 期末考试（闭卷）80％
参考书

张靖周．高等传热学．北京：科学出版社，2015． 李友荣．高等传热学．北京：科学出版社，2015． 贾力，等．高等传热学．北京：高等教育出版社，2008． 埃克特，德雷克．传热与传质分析[M]．北京：科学出版社， 1983． 王补宣．工程传热传质学[M]．北京：科学出版社，1998． 杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社， 1998． 陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学出版社， 2001．
传热学是研究由温度差引起的热量传递 规律的一门科学（包括有相变、物理或化学反 应以及因组分浓度差异伴随发生物质迁移时的 传热过程）。 热量传递的机理、物体内部温度的分布、 热量传递的速率、有关温度、热量的计算和测 试方法。
二十世纪最伟大的物理学家A.爱因斯坦在 他与L.英费尔德合著的《物理学的进化》一书中 写道：“用来描述热现象的最基本的概念是温 度和热，在科学史上经过了非常长的时间才把 这两种概念区别开来，但是一经辨别清楚，就 使科学得到了飞速的发展”。
高等传热学
Advanced Heat Transfer
——传热问题的理论解决方法 ——传热问题的理论解决方法
缪婷婷
机械与储运工程学院热能工程系
缪婷婷
办公室：中油大厦423 联系方式： 办公室：89733658（O） 手机：152-1018-6156 邮箱：mting@
内容安排及考核方式 内容安排
（2）飞行器红外辐射特征控制
红外成像探测系统、记载红外前视装置和红 外制导武器的迅速发展，严重威胁着作战飞机的 生存力。 高性能发动机涡轮前燃气温度的提高，使这 种威胁更加严重。 降低飞机目标红外辐射信号的红外隐身技术 成为一项重要的战术指标。
飞行器的红外辐射，主要来自发动机外露的 高温部件和排出的高温燃气。前者产生连续的高 发射率的灰体辐射，后者产生不连续的选择性光 谱辐射。 第二代红外导弹主要探测和跟踪的目标（35μm波段的红外辐射），发动机排气系统热部件 的固壁辐射和热喷流的气体尾焰辐射最主要。 红外辐射抑制系统：采用冷气掺混，壁面冷 却或遮挡的方法。
燃气涡轮中的故障60%出现在高温部件 我国航空涡轮发动机的一些高温零件的寿命只 有几百小时，原因： 1）材料和工艺缺陷 2）高温零件受热状态预测及相关机理和规律研 究不足，缺少相关数据 美国在20世纪80年代，意识到高温零件的受热 状态研究对提高可靠性和降低故障率的重要性 ，开展了热端技术研究计划（HOST计划），历 时7年，取得了系统的研究成果。
（3）气动加热与热防护系统
高超声速飞行器在飞行过程中，由于物面对 高速气流的阻滞和压缩作用，使大量的动能转变 为热能，而产生气动加热。造成飞行器表面温度 升高，并形成结构内部的温度梯度和不均匀的热 膨胀。
超高音速飞行器（飞行高度20km，M=8）
（承载+热负荷）解决办法： 1. 发展新型材料：碳-碳基复合材料、金属基复 合材料； 2. 热防护系统：在主要承力的结构外加热防护结 构。以功能来划分： 主动式：发汗冷却、薄膜冷却、对流冷却。 被动式：防护结构的吸收和辐射特性，如热沉 结构、辐射结构等。 半被动式：如烧蚀结构、热管等。
特别是在下列技术领域大量存在传热问题
动力、化工、建筑、机械制造、新能源、制冷、微 电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新 材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…
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、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。
b 微电子： 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 e 制 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存 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
微尺度传热研究 金属薄膜作为互连线
金属互连线的尺寸将进一步减小，2026年达到6nm 金属薄膜中的热量输运将体现出显著的尺度效应
普朗特(1875-1953)：德国力学家，现代 流体力学的创始人之一，被誉为“空气 动力学之父”。 1904年,普朗特在海德堡举行的第三届国 际数学家大会上首次提出了边界层的概 念。 边界层理论使得长期存在的从经验角度研究有粘性的 实际流体和从理论角度研究无粘性理想流体两个学派 得到了统一。 他的学生博拉修斯利用边界层概念对横掠平板的流场进 行了求解。1921 年波尔豪森又引进了热边界层的概念， 1930 年波尔豪森与数学家施密特，贝克曼合作，成功 地求解了坚壁附近空气的自然对流换热。
1.航空航天器的热防护 1.航空航天器的热防护
1）燃气涡轮发动机热端部件强化冷却 2）飞行器红外辐射特征控制 3） 气动加热与热防护系统 4） 飞行器座舱空气调节系统 5） 飞行器防冰 6） 航空发动机中的紧凑式换热器
（1）燃气涡轮发动机热端部件强化冷却

提高循环的最高温度是改善各种热能动力机 械性能最基本的技术途径。 航空燃气涡轮动力装置
在高温下15K的温差可导致零件寿命降低一半 ，必须大力提高高温零件受热状况的分析精度 高效冷却是发展下一代燃气涡轮动力装置的紧 迫需求。 1）研究冷却新概念和新的高效冷却方式； 2）准确预测高温零件的受热状态，研究高温零件 的传热机理和规律； 3）建立更为精确的传热分析理论模型，开展复杂 环境中传热规律的研究。
SiO2 Si
Number of Stacked TSV Chips
TSV TSV SiO2 Interfacial crack cohesive crack Si
由于硅和铜的热应变显著不同，导致铜薄膜互连线 与基底间有较大的热应力 需要研究金属薄膜/基底系统中的热输运和热应力
大功率短脉冲激光加工技术
25 ns 脉冲 120 fs 脉冲
加工准确，避免附加热损伤—加工过程快，向周围导热少 所需能量低—只激发电子，声子温度变化较小，声子比热 是电子的100倍。
需要研究金属薄膜中的超快瞬态热输运特性
1-2 工程中传热问题举例

航空航天中的传热问题 电子工程中的传热问题 石油工程中的传热问题 电厂中的传热问题 建筑中的传热问题 机械行业中的传热问题 道路交通中的传热问题 材料领域的传热问题
t1 t2
Φ A
t1 t2ຫໍສະໝຸດ 法国物理学家傅里叶特别重视数学工具的 运用，把实验与理论结合起来。1807 年提出求 解微分方程的分离变量法和可以将解表示成一 系列任意函数的概念，得到学术界的重视。 1822 年 , 《热的解析理论》 完成了导热理论的任务，提出的 导热基本定律“傅里叶定律”、 导热微分方程、傅里叶级数正确 地概括了导热实验的结果，使他 成为导热理论的奠基人。
导热
确认热来源于物体本身内部的运动，科学 史上有两个著名的实验起着关键作用： 1798年伦福特钻炮筒大量发热实验
1799年戴维两块冰块摩擦生热化成水的实验
19 世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶等都从 固体一维导热的试验入手研究。 1804 年毕渥根据试验提出：单位时间通过 单位面积的导热量正比于两侧表面温差，反比 于壁厚，比例系数是材料的物理性质。这一规 律提高了对导热规律的认识。
物体之间辐射热量交换过程中有两个重要的 理论问题： 1. 物体的发射率与吸收比之间的关系问题： 1859年、1860年基尔霍夫的两篇论文作 了解答； 2. 物体间辐射换热的计算方法： 由于物体间辐射换热是一个无穷反射逐 次减弱的复杂物理过程，计算方法的研究有 其特殊性，先后出现了以下几种：
2. 物体间辐射换热的计算方法： 由于物体间辐射换热是一个无穷反射逐 次减弱的复杂物理过程，计算方法的研究有 其特殊性，先后出现了以下几种： ① 1935 年波略克的净辐射法 ② 1954 年， 1967年霍尔特的交换因子法； ③ 1956 年奥本亥姆的模拟网络法。 这三种方法对完善热辐射换热的复杂计算作 出了贡献。
金属薄膜中的热量输运将体现出显著的尺度效应
表面散射
晶界散射
3D芯片集成具有高传输速度和小封装尺寸的优点， 其中最关键的硅通孔技术（Through Silicon Vias， 简称TSV），已被广泛应用于微电子系统。
热流密度极高且散热更困难
Max. Junction Temperature
对流换热
流体流动理论是对流体换热理论必要的前提。 1823年纳维：提出不可压缩流体流动方程。 1845年，英国斯托克斯将其修改为纳维—斯 托克斯方程，建立流体流动的基本方程。 由于方程的复杂性，无法对实际问题进行求 解（只有很少简单流动能进行求解），发展困难。
1880年，雷诺提出一个对流动有决定性影响 的无量纲物理量雷诺数。通过实验发现：管内层 流 →湍流转变时，雷诺数在1800~2000之间。澄 清了实验结果的混乱，对指导试验研究做出了重 大贡献。
二、传热学的发展
物理学
数值传热学
热
学
低温传热学 生物传热学 微尺度传热学 分子传热学 ……
传热学
传热学这一门学科是在 18 世纪 30 年代英 国开始的工业革命使生产力空前发展的条件下 发展起来的。 传热学的发展史实际就是：导热、对流、 热辐射三种传热方式的发展史。导热、对流早 为人们所认识，而热辐射是在 1803 年发现了红 外线才确认的。


专业刊物
International Journal of Heat and Mass Transfer Journal of Heat Transfer Experimental Thermal and Fluid Sciences Numerical Heat Transfer International Journal of Heat and Fluid Flow
1885年格雷茨和1910年努塞尔获得管内换热 的理论解，1916年努塞尔又获得凝结换热理论解。 努塞尔在1909年和1915年的两篇论文对强制 对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行 量纲分析获得了有关无量纲数之间的准则关系式， 从而开辟了在无量纲数原则关系指导下，通过实 验研究求解对流换热的一种基本方法。他的成果 具有独创性，这也使他成为了发展对流换热理论 的杰出先驱。
热辐射
在早期研究中，认识黑体辐射的重要性并用人 工黑体进行实验研究，对于建立热辐射理论具有 重要作用。 19世纪斯忒藩通过实验确立了黑体的辐射能力 正比于它的绝对温度的四次方的规律。后来该定 律在理论上被波耳兹曼证实，从而形成斯忒藩— 波耳兹曼定律。 热辐射基础理论研究中的难点是如何确定黑体 辐射的光谱能量分布，在该问题中普朗克、维恩 做出了一定的贡献。
1900年普朗克提出普朗克公式， 在整个光谱段计算结果与实验符合。 其观点：提出与经典物理学的连续 性概念根本不同的新假说：能量子 假说。 认为物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是 连续的，而是跳跃地变化的，即能量是一份一份地 发射和一份一份地吸收，每一份能量都有一定数值， 这些能量单元称为量子，按照量子理论确立的普朗 克定律，正确地揭示了黑体辐射能量按光谱分布的 规律——从而奠定了热辐射理论的基础。
三、传热学的应用
自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍 加热、冷却、蒸发、凝结、熔化、凝固、隔热 保温等基础问题：
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？ 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？越厚越好？