传热学基础知识

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传热学基本知识

摘要：本节主要介绍导热，对流换热，辐射换热及稳定传热的基本概念，基本计算方法等内容。

2.1稳定传热的基本概念

2.1.1温度场

温度场：是某一时刻空间中各点温度分布的总称。一般来说，温度场是空间坐标和时间的函数，即 t = f (x, y, z,η )

式 t −温；中度 x, y, z −空坐；间标

η−时。间上式表示物体内部在x，y，z三个方向和在时间上均发生变化的三维非稳态温度场。如果温度场不随时间变化，则上式变为：t = f (x, y, z)

该式所表达的内容是温度场内各点的温度不随时间变化，这样的温度场就是稳态温度场，它只是空间坐标函数。

此外，如果温度场内温度的变化仅与两个或一个坐标有关，则称为二维或一维稳态温度场。随时间变化为非稳态温度场，不随时间变化为稳态温度场。

2.1.2等温面于等温线

等温面：同一时刻在温度场中所有温度相同的点连接构成的面。等温

线：不同的等温面与同一平面相交所得到一簇曲线。同一时刻两个不同等温线不会彼此相交。在任意时刻，标绘出物体中所有等温面（线），即描绘了物体内部温度场。

2.1.3温度梯度

事实证明两个等温线之间的变化以垂直于法线方向上温度的变化率最大，这一温度最大变化率称为温度梯度。用grad t来表示。即：

∆t ∂t =n ∆n→0 ∆n ∂x 式 n −法方上单向；中线向的位量∂t 示发方温的向数−表沿现向度方倒。∂n gradt = n lim gradt = i ∂t ∂t ∂t + j +k ∂x ∂y ∂z

温度梯度在直角坐标系中可表示为：

式 i, j和分是 , y和轴向单向。中 k 别 x z 方的位量温度梯度的负值，称为温度降度。

2.1.4导热定律

单位时间内通过单位给定界面的导热量，称为热流量，记作q，单位W/m2. 傅立叶定律（导热基本定律）： q = −λgradt 上式表明，热流量是一个向量（热流向量），它与温度梯度位于等温面同一法线上，但是指向温度降低的方向，上式中的负号就表示热流量和温度梯度的方向相反，永远顺着温度降低的方向。适用于连续均匀和各向同性材料的稳态和非稳态导热过程。

2.1.5导热系数

导热系数的定义式：导热系数在数值上等于温度降低 1 / m 时单位时间每单位导热面积的导热量。℃ 2 单位是。导热系数是材料固有的

热物理性质，其数值表示物质导热能力 W /(m ⋅℃ ) 的大小。（课本P15几种常见的物质的导热系数）导热系数的影响因素：1、温度（一般导热系数是温度的线性函数）；2、密度（在一定的温度下，某种材料有其最佳密度，此时导热系数的值最小）；3、湿度（保温注意防潮的原因）；此外还有材料的成分、结构和所处的状态。（见P15-17）λ=−

q gradt

2.2.1对流换热概述

2.2对流换热

流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换称为对流换热。对流换热的特点：它已不是导热的基本方式，这种过程既包括流体分子之间的导热作用，同时也包括流体位移所产生的对流作用。（实例很多）影响对流换热的因素： 1、流动的起因 a、对自然对流而言，它的发生和强度完全取决于过程的受热情况、流体的种类、温度差以及空间大小和位置。（泵、风机或其他外部动力源） b、对强制对流而言，取决于流体的种类和物性、流体的温度、流动速度以及流道形状和大小。一般它的发生伴随着自然对流的发生。（密度差） 2、流体流动状态在对流换热过程中热量转移的规律随流体的流动状态不同而不同。层流状态下，沿壁面法线方向的热量转移主要依靠导热，其数值大小取决于流体的导热系数。紊流状态下，导热转移热量的方式只存在于层流边界层中，而紊流核心中的热量转移则依靠流体各部分的剧烈位移，由于层流边界层的热阻远大于紊流核心的热阻，前者在对流换热过程中起决

定性作用。所以对流换热的强度主要取决于层流边界层的导热。因此，要加强换热，可以在某种程度上，用增加或流体流速的方法来实现。在紊流时，对流传递作用得到加强，换热较好。 3、流体的物理性质流体的物理性质对于对流换热有很大的影响。定性温度：在换热时，由于流场内温度各不相同，物性各异，通常选择一个特征温度以确定物性参数，把物性当作常量处理，这一温度称为定性温度。 4、换热表面的几何尺寸、形状与大小（几何因素）定性尺寸：在分析计算时，可以采用对换热有决定影响的特征尺寸为依据，这一尺寸称为定型尺寸。总之，流体和固体表面之间的换热过程是极其复杂的，影响因素很多，以上只分析了主要因素。

对流换热的计算公式（牛顿冷却公式）：

q = α(tw −t f ) 式 q - 对换量 W / m2; 中流热， tw −壁的度℃; 面温， t f −流的度℃ 体温，；

α−表面传热系数，W/ m2 ⋅）（℃.

表面传热系数的物理意义是指单位面积上，当流体和固体壁之间为单位温差,在单位时间内传递的热量。换热系数的大小反映了对流换热的强弱。由于表面传热系数的影响因素很多，并且在理论上使解决对流换热问题集中于求解表面传热系数问题，因此对流换热过程的分析和计算以表面换热系数的分析和计算为主。

２.３辐射换热的基本概念

２.３.１基本概念

辐射：是波或大量微观粒子从发射体向四周传播的过程。发射辐射能是

物质的固有特性。辐射的电磁波理论解释和量子理论解释。（见Ｐ１９）从本质上说，辐射既具有波动性又具有粒子性，并且不同波长的电磁波具有的能量也不相同。热射线：波长在λ = 0.1 ~ 100µm之间的电磁波称为热射线，它们投射到物体上能产生热效应。包括紫外线、可见光和部分红外线。热辐射：（物体因自身具有温度而向外发射能量的现象。）如果是由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，就称为热辐射。热辐射就是热射线的传播过程。不论物体的冷热程度和周围的情况如何，只要其热力学温度存在，都会不断地向外界发射热射线。物体的温度越高，它辐射的能力就越强。若物体间温度不相等，高温物体辐射给低温物体的能量将大于低温物体向高温物体辐射的能量，其结果是热量从高温物体传给了低温物体，这就是物体间的辐射传热。直至物体的温度一样，但是此时物体间的辐射还在进行，只不过是一种动态的平衡。

辐射换热和导热及对流换热的根本区别： 1、辐射换热不依靠物质的接触就可以进行热量传递。 2、辐射换热伴随着能量形式的转化。 3、物体间的辐射换热无时无刻不在进行。辐射强度：指物体表面朝向某给定方向，对垂直与该方向的单位面积，在单位时间、单位立体角内所发射的全波长总能量。用I表示，单位是W/（m2·sr）。在这里sr

为球面度，是立体角的单位。所谓立体角又称球面角或空间角，是指在以r为半径的球面上，某割切的面积F所对应的球心角度。用表示，单位为sr，立体角的计算公式：Ω = F r 单色辐射强度：若辐射强度仅指某波长λ下波长间隔dλ范围内所发射的能量。用符号Iλ来