传热学复习要点

传热学 复习要点
1-3节为导热部分
1.导热理论基础 (分稳态导热和非稳态导热) (1)导热现象的物理本质及在不同介质中的传递特征.
依靠分子,原子和自由电子等微观粒子热运动进行的热量传递.
气体中为分子,金属中为电子,非导电固体和液体中为晶格
(2)温度场的空间时间概念.
表达式:t=f(x,y,z, τ)空间用x,y,z表示.时间用τ.
稳态: 非稳态:
(3)温度梯度的概念和表达式.
定义: 两等温面温差 与其法线方向距离 的比值极限..
表达式:
(4)傅立叶定律的概念及其表达式.----导热基本定律
定义:
表达式:
适用范围:只适用于各向同性的固体材料.
(5)导热系数的定义,物理意义和影响因素.
表达式:
物理意义:表征物体导热能力的大小.
影响因素:
(6)物性参数为常数时的导热微分方程式在各种不同条件下的数学表达.
导热微分方程---由傅立叶定律和热一律导出.
导热微分方程表达式:
无内热源:
稳态温度场:
无内热源且为稳态温度场:
(7)导温系数的表达及其物理意义,与导热系数的区别.
导温系数a定义: a=λ/cρ;
物理意义:表示物体加热或冷却时,物体内部各部分温度趋于一致的能力.
(8)导热过程单值性条件和数学表达.
单值性条件包括4个:几何条件;物理条件;时间条件;边界条件;
其中边界条件分3类:
①第一类边界条件:已知边界面温度.
②第二类边界条件:已知边界面热流密度..
③第二类边界条件:已知边界面与周围流体间的表面传热系数及周围流体温度tf.
牛顿冷却公式:
2.稳态导热--t=f(x,y,z)
(1)通过单层平壁,多层平壁和复合平壁的导热计算式及温度分
布,热阻概念及其表达式和运用.
A: 第一类边界条件: 在无内热源,常物性条件下
1)单层平壁,高度h>>厚度δ，即为无限大平壁.
因是一维导热,所以温度分布为线性分布.t=tw1-(tw1-tw2)x/δ;
热流密度q=tw1-tw2/(δ/λ)=Δt/Rt.
热阻Rt: Rt=Δt/q.
2)多层平壁:
温度分布为折线..
B: 第三类边界条件: 厚度δ,无内热源,常物性
单层平壁:q=(tf1-tf2)/(1/h1+δ/λ+1/h2)
Rt=1/h1+δ/λ+1/h2
多层平壁:q=(tf1-tf2)/(1/h1+δ/λ+1/h2)
C: 复杂的平壁导热:(串连加并联)
RA与RB串连: R=RA+RB;
RA与RB并连: R=1/(1/RA+1/RB).
D: 导热系数为t的函数: λ=λ0(1+bt)
t=
q=
此时,温度分布为二次曲线.
(2)通过单层圆筒壁和多层圆筒壁的导热及温度分布,热阻表达式和运用.
工程上长度l>>厚度δ的称为圆筒壁导热.
1)第一类边界条件:内径为r1,外径为r2
单层: 边界条件:
t=
q=
温度分布为曲线分布.
多层:q=
1)第三类边界条件:
单层:
多层:
(3)临界热绝缘直径的物理概念和如何确定合理的绝热层厚度.当绝热层外径=dx时,总热组最小,散热量最大.这一直径称为临界~~
Dx=dc=2λins/h2.
说明:外径d2<dc时,热损失反而增大.
外径d2>dc时,加绝热层才有效.
(4)肋片的作用及温度分布曲线,肋片效率概念及影响因素,肋片散热量的计算式.---- 只讨论等截面直肋
1)等截面直肋:
肋高为l,肋厚为δ,肋片周边长度为U,导热系数为λ,l>>δ,可认为肋片温度只沿着高度方向变化.
边界条件:
2)过余温度:以周围介质tf为基准的温度.θ=t-tf.
其中m=
温度分布为一条余弦双曲函数,即沿x反向逐渐降低.
肋端国余温度:
3)肋片表面散热量:
4)肋片效率:
定义:在肋片表面平均温度tm下,肋片的实际散热量Φ与假定整个肋片表面都处在肋基温度to时的理想散热量Φo的比值.即:
结论:①当m一定时,随着肋高增加, Φ先迅速增大然后逐渐趋于平缓.也即η先降低,肋高增加到一定程度时, Φ急剧降低.
②ml大,肋端过于温度小,肋片表面tm小,效率低.所以应降低m提高效率.
③λ与h都给定时,m随U/A降低而减小.变截面肋片效率高.
(5)接触热阻的形成和表达式.
两固体直接接触,因接触面不绝对平整,会产生接触热阻.
定义式:
减小接触热阻的措施:
改善接触面粗糙镀;提高接触面挤压压力;减小表面硬度;接触面上涂油.
3.非稳态导热 (分瞬态导热和周期性导热)
两个重要准则:Fo准则和Bi准则.
Bi=(δ/λ):(1/h)
Fo=aτ/δ2
(1)瞬态导热过程及周期性不稳态导热过程的特点.
前者物理量瞬间变化.后者物理量周期性变化.
(2)Fo准则的表达式及物理意义,当Fo>0.2时,无限大平壁内的温度变化规律.
傅立叶准则:Fo=aτ/δ2
物理意义:表征不稳态导热过程的无因次时间. Fo>0.2为临界值.
无限大平壁:在进行到F o>0.2的时间起,物体中任何给定地点的过余温度的对数值将随时间按线性规律变化.
(3)Bi准则的表达式及物理意义, Bi准则对无限大平壁内温度分
布的影响.
毕渥准则Bi=(δ/λ):(1/h)
物理意义:表征物体内部导热热阻与表面对流换热热阻之比.它的值越小,内部温度越趋于均匀一致.
Bi<0.1可近似认为,物体温度是均匀一致的.
(4)运用集总参数法的条件及温度计算式.
集总参数法的条件:对于平板,圆柱,球体,
温度计算式:
V为体积,A为表面积,初始温度θ=to-tf.
地下建筑的预热:
5-7节为对流换热部分
5.对流换热分析 (对流换热=导热+热对流)
(1) 对流换热过程的特征及基本计算公式.
定义：流体因外部原因(强迫对流)或内部原因(自然对流)而流动并与物体表面接触时发生的热量传递.
特征:①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；也必须有温差
③ 由于流体的粘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
基本计算公式:---牛顿冷却公式:
q=h(tw-tf)
(2)影响对流换热的因素.
影响因素:①流动的起因（强迫对流或自然对流）；
②流动状态（层流或紊流）；③有无相变；
④换热表面几何因素；
⑤流体的物理性质。

λ ↑=h ↑(流体内部和流体与壁面间导热热阻小)
ρ、c ↑=h ↑ (单位体积流体能携带更多能量)
η ↑=h ↓ (有碍流体流动、不利于热对流)
α ↑=自然对流换热增强
h=f（u,tw,tf,c, λ, ρ,l…….）
(3)对流换热过程微分方程式的表示及其物理意义.
微分方程式：
(4)对流换热微分方程组的组成.
①连续性方程；②动量微分方程；③能量微分方程。

在具体求解时要再加上④对流换热微分方程式。

(5)边界层及热边界层的物理特征.
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区
定义：在紧贴流体流过的物体表面上有一极薄的流体层，其中流体的速度和温度变化最显著，称为边界层。

分流动边界层和热边界层。

1） 流动边界层（速度边界层）：流动边界层厚度主要取决于Re 数。

2） 流动边界层特性：
1 边界层内流体在壁面法线方向的速度变化最为剧烈。

2 厚度δ与壁的尺寸相比很小。

3 因流动状态不同而有层流边界层和紊流边界层。

层流边界层内速度分布为抛物线型；
紊流边界层内速度分布为幂函数型。

4 边界层内应考虑流体黏性的影响。

层流时惯性力可忽略；紊
流核心区可忽略粘滞力。

3） 对于管内流动，流态判别：
Re<2300为层流，主要靠导热；Re>104为旺盛紊流，主要靠对流；
4） 热边界层（温度边界层）：热边界层厚度主要取决于Re及Pr。

热边界层δt不一定等于流动边界层δ。

紊流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流，故：紊流换热比层流换热强！
热边界层外可认为是等温流动区。

(6)图示流体外掠平板流动时流动边界层的形成和发展.
1）外掠平板层流的边界层厚度:
δ/x=4.64 Re0.5
局部摩擦系数为：Cf=
平均摩擦系数：Cf=
2）对于常壁温，掠过平板的层流换热问题：
两边界层厚度之比：ζ=δt/δ=Pr(-1/3)/1.025≈Pr(-1/3)
Pr=1时，两边界层厚度相同。

适用于Pr>1的流体。

(7)图示管内流动时流动边界层的形成和发展.
(8)流体外掠平板稳定流动时,简化后的层流边界层换热微分方
程组的表达式.
外掠平板时，长为l的常壁温平板的平均表面传热系数h及关联式为：
h=
Nux=
（求局部时，将l换成x，前面系数为一半即0.332。

）
(9)边界层换热积分方程组的含义.
包括动量积分方程式和能量积分方程式。

(10)紊流总黏滞应力及其表达式.
求解紊流对流换热很复杂，一般用动量传递和热量传递的类比方法。

紊流总粘滞应力为层流和紊流之和。

τ=
(11)紊流总热流密度及其表达式.
紊流总热流密度也为层流和紊流之和。

q=
(12)雷诺类比关系式的表示.
对于掠过平板的层流运动：
雷诺类比关系式：
外掠平板紊流换热：
平板紊流的局部摩擦系数: Cf=0.0592
局部传热准则关联式：：
平均换热准则关系式：
(13)物理相似的基本概念.
在对应瞬间对应点上各该物理量成比例。

(14)Nu,Re,Gr,Pr准则的表示及其物理含义.
努谢尔特准则：反映对流换热的强弱
Nu=
雷诺准则：反映了流体流动时惯性力和粘滞力的比值，反映了流态对换热的影响。

Re=
格拉小夫准则：是自然对流换热的浮生力和粘滞力的比值，表示流体的自由流动状态对换热的影响。

Gr=
普朗特准则：又称物性准则。

反映流体动量传递和热量传递的相对大小Pr=
(15)相似原理的内容及其所解决的问题.
①无相变受迫稳态对流换热，且自然对流不可忽略时：
Nu=f（Re,Gr,Pr）
②无相变受迫稳态对流换热，若自然对流可忽略时：
Nu=f（Re,Pr）
③对于空气pr可按常数处理，则无相变受迫稳态对流换热有：
Nu=f（Re）
④自然对流换热时，准则关系式为：
Nu=f（Gr,Pr）与Re无关。

(16)实验数据的整理方法.
Nu=
Nu=
*(17)定性温度：
流体沿平板流动换热时：tf=t∞;
流体在管内流动换热时:tf=(tf’+tf”)/2
6.单相流体对流换热及准则方程式.
(无相变对流换)
(1)管内流动充分发展段及热充分发展段的特征.
①充分发展段：
流动充分发展段特征：
热充分发展段特征：
对于常物流体，表面传热系数h保持不变。

② 进口段：
Pr>1,流动进口段<热进口段；Pr<1,流动进口段>热进口段；
常壁温条件：L/d=0.05 Re. Pr；
常热流条件：L/d=0.07Re. Pr；
(2)管内流动充分发展段流态的判别.
流态判别：Re<2300,为层流；
2300< Re<10000,为过度流；
Re>10000,为紊流；
(3)常热流边界条件下和常壁温边界条件下,在管内流动充分发
展段,壁温和流体温度沿流程的变化规律.
热充分发展段，
常热流条件下：壁温和流体平均温度均呈线性变化。

dtw /dx=dtf /dx=const 平均温度为算术平均温度。

常壁温条件下：流体温度沿着管长按对数曲线规律变化。

平均温度为对数平均温度。

(4)光滑管内紊流换热的准则关联式及如何进行黏度修正,对热
进口段应如何进行修正.
光滑管管内受迫对流换热计算：
1） 紊流换热：准则式：
1 黏度修正：考虑到不均匀物性的影响，黏度修正项为：
气体为:
2 热进口段：准则式为：
3 对于螺旋管，用弯曲影响的修正因子。

螺旋管换热优于直管因为对边界层扰动加强。

综上所述：对于管内紊流：
h=f(
其中流速u和密度ρ影响最大，直径d的影响最小。

(5)粗糙管时用什么因素来修正.
粗糙管的准则式：
摩擦系数f：紊流时：f=
层流时：f=64/ Re.
结论：粗糙管和光滑管比较：
粗管的压降大于光管，因为它克服的局部阻力大于光管；粗管的换热系数大于光管的，因为粗糙点扩大了传热表面积。

(6)非园管时如何取定型尺寸.
对于非圆形管子：用当量直径代替直径。

De=4A/U.
(7)比较常热流和常壁温时,园管内常物性流体热充分发展段的
层流换热公式.
层流换热：
常壁温条件：
圆管内常物性流体热充分发展段：
q=const,
tw=const,
(8)外掠单管时的流动与对流换热特征.
特征：流体横向流过单根圆管时，其流动边界层逐渐增厚，在到达圆管外周某处后会产生反向流动。

(9)外掠光滑管束时的对流换热和单管时有何不同.有哪些影响
因素,如何考虑排数的修正.
影响因素：除Re,Pr外，还有管束的排列方式；官排数；管间距；等。

一般来说，叉排优于顺排；多排优于单排，因为干扰加强。

准则关联式：
适用于10排以上。

小于10排的，用修正系数
(10)无限空间自然对流换热的准则关联式形式,什么是自模化现
象.
准则关联式：
无限大空间内的自然对流规律：
刚开始沿壁面为层流，到达一定高度转变为旺盛紊流，h与高度无关。

一般认为：tw=const,q=const, Gr,Pr>109时为紊流。

自模化现象：自然对流换热紊流时，具有h与定性尺寸无关的特性。

(11)垂直夹层,水平夹层及倾斜夹层中的自然对流换热特征.
①垂直夹层：a，出现环流；
b，δ/h>0.3时，无环流，可认为是无限空间自然对流。

C，如果tw1和tw2都很小，认为是纯导热。

②水平夹层：此时的对流只发生在热表面在下的情况。

对于气体，Gr<1700时，可按纯导热计算。

Gr>1700以后，出现蜂窝状环流。

Gr=50000以后出现无序紊流。

③倾斜夹层：用以下公式：
(12)混合对流换热时,如何判断自然对流的影响.
混合对流的判断准则是：
它体现了浮生力与惯性力的相对大小。

有2种情况：
>0.1,不能忽略自然对流。

>10,可按纯自然对流处理。

7.凝结与沸腾换热 (有相变对流换)
(1)凝结的两种基本形态及其换热状况比较.
两种基本形态为：珠状凝结核膜状凝结。

珠状凝结换热优于膜状凝结，但是长时间的珠状凝结不易形成。

主要讨论纯蒸汽膜状凝结。

1 膜状凝结：凝液可以很好的润湿壁面而在壁面上形成凝液膜，
潜热由液膜传到壁面。

2 珠状凝结：在壁面上只能形成分散的液珠，传热在蒸汽与裸露
的壁面及蒸汽与液珠之间进行。

(2)竖壁上膜状凝结换热时,沿程流态及表面传热系数的变化.竖壁层流凝液膜变化规律：
上部为层流，（Re<1800）随着液膜向下流动，Re数增大，在Re>1800后转为紊流。

h按加权平均计算。

(3)层流膜状凝结换热的准则关联式形式.
层流膜状凝结分竖壁的和水平圆管外壁的凝结。

准则关联式：垂直壁面：co=1.76
水平管：co=1.51
Co为凝结准则。

Co=
(4)水平管束管外膜状凝结换热的特征.
特征：上一排管束表面上的凝液会流到下一排管子上。

使下一排管子表面的凝液膜加厚，传热效果降低。

定性尺寸，nd
注意：物体壁表面的凝液膜的厚度与传热效果是成反比的，越厚传热越不好，所以柱状凝结传热好于膜状凝结。

(5)影响膜状凝结换热的因素.
影响因素：
①蒸汽速度；②不凝气体；③表面粗糙度；④蒸汽含油；⑤过热蒸汽。

增强措施;减薄液膜厚度。

①改变表面几何形状，如挂丝等；②及时排除不凝气体；③加速排除凝
液，使用离心力等；④改进表面性质。

加涂层，使之形成柱状凝结。

(6)沸腾的分类.
分为大空间沸腾和强制对流沸腾（主要是管内沸腾）。

又可分为;过冷沸腾和饱和沸腾。

主要讨论大空间饱和沸腾。

(7)饱和沸腾过程的4个阶段.
热壁面沉浸在具有自由液面的液体中发生地沸腾称为大空间沸腾。

①自然对流换热；过热度（壁温减去饱和温度）小，无沸腾。

③核态沸腾（泡态沸腾）；
(8)泡态沸腾换热的主要措施和方法.
8-9节为热辐射部分
8.热辐射的基本定律(4个)
(1)吸收比,反射比和透射比的定义.
(2)辐射强度(L)和辐射力(E)的定义.
①辐射强度L:对于某给定反向，在垂直于该方向上的单位投影面积上，
单位时间单位立体角内所发射的全波长能量。

②辐射力E:物体在单位时间内单位表面积向半球空间所发射的全波长能
量。

(3)普朗克定律揭示了哪些物理量之间的关系, 普朗克定律的图
示.
黑体单色辐射力Ebλ=f(λ,T)
Ebλ=
如图曲线下的面积就是该温度下的辐射力。

T升高，最大单色辐射力向短波反向移动。

λmax.T=2897.6
（已知温度求λmax，也即一定温度时，λmax时Ebλ最大）
(4)斯蒂芬定律的表达式,黑体的辐射常数和辐射系数.
表达式：Eb=f(T)； Eb=
黑体的辐射力与其温度四次方成正比。

(5)兰贝特余玹定律的表述,漫辐射表面的辐射力.
表述：漫反射表面的辐射强度与方向无关。

Eθ=
(6)发射率(黑度)和单色发射率的定义.基尔霍夫定律确定了哪
些物理量之间的关系,漫-灰表面的基尔霍夫定律表达式.
9.辐射换热计算(Φ=EA)
(1)角系数的定义和性质,确定角系数的代数分析法.
(2)空间热阻及其用于黑表面间的辐射换热计算.
空间热阻定义：
(3)有效辐射及表面热阻的概念.
(4)用网络法求解封闭空腔中灰表面间的辐射换热.
(5)平行平板中加设遮热板后的辐射换热量变化.
加n块遮热板，辐射换热量变为原来的1/(n+1)
(6)气体辐射的特点.
(7)气体吸收定律的含义.
(8)影响气体的发射率和吸收率的因素及其基本计算式.
(9)气体与外壳间辐射换热计算的原理.
(10)太阳辐射光谱中的能量分布.
分可见光；红外线；紫外线
(11)大气层对太阳辐射的影响.
(12)太阳热辐射特征的利用.
主要利用波长在0.3um以下的太阳光。

10.传热和换热器
(1)通过肋壁的传热量及传热系数计算.
(2)对影响传热系数因素的分析.
(3)复合换热的基本计算式.
定义：对流换热+辐射换热=复合换热=导热+热对流+热辐射
(4)增强和削弱传热的方法.
(5)换热器传热量的计算式,对数平均温度差的表达式和不同流
动型式时的计算.
(6)效能及传热单元数的概念和应用.。