热量传递的三种基本方式：导热 ( 热传导 ) 、对流 ( 热对流 ) 和热辐射。

热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。

二、导热基本定律(Fourier’s law） 1822年，法国数学家傅里叶（Fourier）在实验研究基础上，发现导热基本规律 —— 傅里叶定律垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反热导率（导热系数）（Thermal conductivity）直角坐标系中：注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：热导率在各个方向是相同的

t dx  dt 0  x Q 上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：图1-2 一维稳态平板内导热 ：热流量，单位时间传递的热量[W]；q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积[m2]；：导热系数（热导率）[W/( m K)]。

三、热导率（ Thermal conductivity ） — 物质的重要热物性参数热导率的数值：就是物体中单位温度梯度、单位时间、通过单位面积的导热量热导率的数值表征物质导热能力大小。实验测定影响热导率的因素：

表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。

说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件（Boundary conditions）边界条件一般可分为三类：第一类、第二类、第三类边界条件４、导热微分方程及边界条件

t dx  dt Q 0  x 导热热阻单位导热热阻 Q 导热热阻：平壁，圆筒壁图1-3 导热热阻的图示

§2-4 通过肋片的导热及传热强化 第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：为了增加传热量，可以采取哪些措施? （1）增加温差（tf1 - tf2），但受工艺条件限制（2）减小热阻： a) 金属壁一般很薄( 很小)、热导率很大，故导热热阻一般可忽略 b) 增大h1、h2，但提高h1、h2并非任意的 c) 增大换热面积 A 也能增加传热量—肋片强化传热的原理

对流换热分类： 如习题(1-3)

(5) 对流换热系数(表面传热系数) （Convection heat transfer coefficient） —— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量影响h因素：流动形式、物性、几何形状、对流类型等

求解导热问题的三种基本方法：(1) 理论分析法；(2) 数值计算法；(3) 实验法三种方法的基本求解过程 (1)所谓理论分析方法，就是在理论分析的基础上，直接对微分方程在给定的定解条件下进行积分，这样获得的解称之为分析解，或叫理论解； (2)数值计算法，把原来在时间和空间连续的物理量的场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，从而获得离散点上被求物理量的值；并称之为数值解；

4-2 边界节点离散方程的建立及代数 方程的求解对于第一类边界条件的热传导问题，处理比较简单，因为已知边界的温度，可将其以数值的形式加入到内节点的离散方程中，组成封闭的代数方程组，直接求解。而对于第二类边界条件或第三类边界条件的热传导问题，就必须用热平衡的方法，建立边界节点的离散方程，边界节点与内节点的离散方程一起组成封闭的代数方程组，才能求解。为了求解方便，这里我们将第二类边界条件及第三类边界条件合并起来考虑，用qw表示边界上的热流密度或热流密度表达式。用Φ表示内热源强度。

§5-1 对流换热概述 1 对流换热的定义和性质对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。 ● 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式 ● 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电风扇

2 对流换热的特点 (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 3 对流换热的基本计算式牛顿冷却式:

5 对流换热的影响因素 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无相变; (4)换热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质 6 对流换热的分类： (1) 流动起因自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动

层流：整个流场呈一簇互相平行的流线 （Laminar flow）湍流：流体质点做复杂无规则的运动（紊流）（Turbulent flow）单相换热：（Single phase heat transfer）相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等（Phase change）（Condensation）（Boiling） (2) 流动状态 (3) 流体有无相变

(4) 换热表面的几何因素： 内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束

密度 (5) 流体的热物理性质：热导率比热容动力粘度运动粘度体胀系数

综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：

4 物理意义 无量纲热阻无量纲时间 Fo越大，热扰动就能越深入地传播到物体内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介质的温度。

对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可对流换热微分方程组:(常物性、无内热源、二维、不可压缩牛顿流体)

计算当地对流换热系数 4个方程，4个未知量 ——可求得速度场(u,v)和温度场(t)以及压力场(p), 既适用于层流，也适用于紊流（瞬时值）前面4个方程求出温度场之后，可以利用牛顿冷却微分方程：

现象1： 5 无量纲量的获得：相似分析法和量纲分析法 • 相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关系，从而获得无量纲量。 • 以左图的对流换热为例，数学描述：现象2：

对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数——格拉晓夫数对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个新的无量纲数——格拉晓夫数式中： —— 流体的体积膨胀系数 K-1 Gr —— 表征流体浮生力与粘性力的比值 (2) 量纲分析法：在已知相关物理量的前提下，采用量纲分析获得无量纲量。

2 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式(很重要）

3 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）特征关联式的具体函数形式、定性温度、特征长度等的确定具有一定的经验性目的：完满表达实验数据的规律性、便于应用，特征数关联式通常整理成已定准则的幂函数形式：式中，c、n、m 等需由实验数据确定，通常由图解法和最小二乘法确定

强制对流: 自然对流换热：混合对流换热： ④常见准则数的定义、物理意义和表达式，及其各量的物理意义 ⑤模化试验应遵循的准则数方程试验数据的整理形式：

2. 入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度: 湍流时: 层流湍流

二. 横掠管束换热实验关联式 • 外掠管束在换热器中最为常见。 • 通常管子有叉排和顺排两种排列方式。顺叉排换热的比较：叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。

后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。气体横掠10排以上管束的实验关联式为式中：定性温度为特征长度为管外径d，数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。实验验证范围： C和m的值见下表。

§6-5 自然对流换热及实验关联式 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。自然对流的自模化现象：紊流时换热系数与特征尺度无关。

一. 大空间自然对流换热的实验关联式 工程中广泛使用的是下面的关联式：式中：定性温度采用数中的为与之差，对于符合理想气体性质的气体，。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。常数C和n的值见下表。层流时： n=1/4 湍流时： n=1/3

第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种。相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。

§7-1 凝结传热的模式 §7-2 膜状凝结分析解及计算关联式 • 凝结换热实例 • 冷凝器中的换热 • 寒冷冬天窗户上的冰花 • 许多其他的工业应用过程 • 凝结换热的关键点 • 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结 • 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻 • 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 • 影响膜状凝结换热的因素 • 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论

g g 1 凝结过程膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）

定性温度： (2) 局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数注意：r 按 ts确定 (3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右修正后：

对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当并且，时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。 (4) 水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 为水平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同

§7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。 1. 不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力 2. 蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使减小。

7. 凝结表面的几何形状 • 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。 • 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。

§7-6 沸腾换热的影响因素及其强化 沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。 1 不凝结气体对膜状凝结换热的影响？与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 2 过冷度只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，，因此，过冷会强化换热。 3、沸腾换热分类及沸腾曲线（详见参考书）见p.183

§8-1 热辐射的基本概念 1. 热辐射特点 (1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； (2)特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 2. 电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。电磁波的传播速度： c = fλ 式中：f — 频率，s-1; λ— 波长，μm

3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透

§8-2 黑体辐射的基本定律 1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图8-5 黑体模型

2.热辐射能量的表示方法 辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)；光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；显然， E和Eλ之间具有如下关系： E、Eλ关系: 黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Ebλ

3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质 (1)Planck定律(第一个定律)：式中，λ—波长，m ； T—黑体温度，K ； c1—第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 —第二辐射常数，1.4388×10-2 WK；图7-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。 λm与T的关系由Wien位移定律给出，图8-6 Planck 定律的图示

(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)： 式中，σ= 5.67×10-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。 (3)黑体辐射函数黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图7-7所示：图8-7 特定波长区段内的黑体辐射力

黑体辐射函数: (4)立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图8-8和8-9所示：

(5) 定向辐射强度L(, )： 定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-10。 (6) Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律) 它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，见图7-11，因此， Lambert定律也称为余弦定律。图8-10 定向辐射强度的定义图

沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E: 图8-11 Lambert定律图示

热量传递的三种基本方式：导热 ( 热传导 ) 、对流 ( 热对流 ) 和热辐射 。