ANSYS CFD 认证考试 传热学基础

ANSYS CFD 流体工程师认证考试V1.0

——传热学基础

传热学基础

1. 了解传热学的研究目标，了解热量传递的三种基本方式

2. 了解温度场、导热系数等概念；了解具有内热源的导热微分方程，以及单值性条件的基本概念；

3. 了解稳态传热和非稳态传热的概念及其区别；

4. 了解对流换热，牛顿冷却公式与换热系数；

5. 了解自然对流和强制对流的概念及其区别；

6. 了解凝结与沸腾换热等伴随有相变的对流换热现象；

7. 了解热辐射的本质和特点，了解黑体、灰体、漫射体、发射率、吸收率等基本概念，了解斯蒂芬－玻尔兹曼常数；

一、传热学的研究目标

传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。

二、热量传递的三种基本方式

热量传递是一种复杂的现象，常把它分成三种基本方式，即导热、热对流及热辐射。

三、温度场

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场。它是时间和空间坐标的函数，反映了温度在空间和时间上的分布。

温度T这个变量通常是空间坐标(x，y，z) 和时间变量t 的函数，即T=T(x，y，z，t)。该公式描述的是三维非稳态（瞬态）温度场，在此温度场中发生的导热为三维非稳态（瞬态）导热。不随时间而变的温度场称为稳态温度场，即T=T(x，y，z)，此时为三维稳态导热。对于一维和二维温度场，稳态时可分别表示为T=f(x)和T=f(x，y)，非稳态时则分别表示为T=f(x，t)和T=f(x，y，t)。

四、导热系数

导热指依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞而产生热量传递的方式。例如，固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，就是以导热的方式进行的。

热传导在气态、液态和固态物质中都可以发生，但热量传递的机理不同。气体的热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子具有较大的动能，即速度较大，当它们运动到低温区时，便与低温区的分子发生碰撞，其结果是热量从高温区转移到低温区。

固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移。在非导电的固体中，主要通过分子、原子在晶体结构平衡位置附近的振动传递能量；对于良好的导电体如金属，类似气体分子的运动，自由电子在晶格之间运动，将热量由高温区传向低温区。由于自由电子的数目多，所传递的热量多于晶格振动所传递的热量，因此良好的导电体一般都是良好的导热体。

液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既依靠分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在一定时间内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可

用℃代替）。

根据傅立叶定律，热导率的定义式为

其中，x为热流方向。

为该方向上的热流密度，W/m2。

为该方向上的温度梯度，单位是K/m。

对于各向同性的材料来说，各个方向上的热导率是相同的。

五、具有内热源的导热微分方程

笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般表达式

其物理意义：反映了物体的温度随时间和空间的变化关系。

（ 1 ）导热问题仍然服从能量守恒定律；

（ 2 ）等号左边是单位时间内微元体热力学能的增量（非稳态项）；

（ 3 ）等号右边前三项之和是通过界面的导热使微分元体在单位时间内增加的能量( 扩散项) ；

（ 4 ）等号右边最后项是源项；

（ 5 ）若某坐标方向上温度不变，该方向的净导热量为零，则相应的扩散项即从导热微分方程中消失。

六、导热过程的单值性条件

导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律+能量守恒。它描写物体的温度随时间和空间变化的关系；没有涉及具体、特定的导热过程通用表达式。

单值性条件：确定唯一解的附加补充说明条件，包括四项：几何、物理、初始、边界完整数学描述：导热微分方程+ 单值性条件

1、几何条件：说明导热体的几何形状和大小，如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等

2、 物理条件：说明导热体的物理特征如：物性参数

、c 和 的数值，是否随温度

变化；有无内热源、大小和分布； 3、 初始条件：又称时间条件，反映导热系统的初始状态)0,,,(z y x f t =

4、 边界条件:反映导热系统在界面上的特征，也可理解为系统与外界环境之间的关系。 边界条件常见的有四类

（１）第一类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度分布，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值。

（2）第二类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度梯度，即相当于给定边界上的热流密度，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值

（3）第三类边界条件:该条件是第一类和第二类边界条件的线性组合，常为给定系统边界面与流体间的换热系数和流体的温度，这两个量可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值

（4）第四类边界条件:接触面边界条件

导热微分方程＋单值性条件＋求解方法 可以求解得到 温度场。

七、 稳态传热和非稳态传热的概念及其区别；

稳态传热，是指传热系统中各点的温度仅随位置而变化，不随时间而改变，这种传热过程称为稳态传热。

非稳态传热，是指物体的温度随时间而变化的导热过程。

八、

对流换热，牛顿冷却公式与换热系数；

()0w t f ττ>=时20()()w t f n τλτ∂>-=∂时()()w w f t h t t n λ∂-=-∂s s t t 2

1=s s n t n t ∂∂=∂∂22

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