【正文】 Nanjing University of Technology 1 Numerical Heat Transfer 計(jì)算傳熱學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 主講：彭 浩 2 課程簡(jiǎn)介 《 數(shù)值傳熱學(xué) 》 陶文銓 2022 《 計(jì)算傳熱學(xué) 》 郭寬良 、 孔祥謙 ， 陳善年 1988 平時(shí)作業(yè) /大論文 （ 30%/70%） 34學(xué)時(shí)理論教學(xué)； 6學(xué)時(shí)課堂討論 3 代表性的人物 ? 國(guó)外 ? D B Spalding B E Launder ? S V Patankar A K Majumdar ? T M Shi ? E M Sparrow ? 國(guó)內(nèi) ? 陶文銓 ? 孔祥謙，陳善年，郭寬良，張政，陳越南 課程簡(jiǎn)介 4 Heat Transfer, Part A Applications。 Part B Fundamentals Journal of Numerical Methods in Fluids. amp。 Fluids of Computational Physics Journal of Numerical Methods in Engineering Journal of Numerical Methods in Heat and Fluid Flow Methods of Applied Mechanics and Engineering Computations in Computational Fluid Dynamics 10. Computer Modeling in Engineering amp。 Sciences (CMES) 有關(guān)的主要國(guó)外期刊 數(shù)值計(jì)算 課程簡(jiǎn)介 5 有關(guān)的主要國(guó)外期刊 Journal of Heat and Mass Transfer Journal of Heat Transfer Journal of Fluids Engineering Journal of Heat and Fluid Flow Journal of Multiphase Flow Journal Thermal Engineering and Mass Transfer Thermal and Fluid Science Conversion and Management and Engineering Chemistry Research 傳熱期刊 課程簡(jiǎn)介 6 計(jì)算傳熱學(xué)的研究對(duì)象 計(jì)算傳熱學(xué) — 研究傳熱理論模型的數(shù)值解法，其核 心是通過(guò)數(shù)值方法將原問題轉(zhuǎn)化成 代數(shù)方程組 例如： 熱傳導(dǎo)問題 ——熱傳導(dǎo)方程 對(duì)流傳熱問題 ——對(duì)流擴(kuò)散方程 輻射傳熱問題 ——積分 —微分方程 課程簡(jiǎn)介 7 傳熱學(xué)回顧 1. 傳熱學(xué) （ Heat Transfer） (1) 研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué) ， 具體來(lái)講主要有熱量傳遞 的機(jī)理 、 規(guī)律 、 計(jì)算和測(cè)試方法 (2) 熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力： 溫差 熱力學(xué)第二定律：熱量可以自發(fā)地由高溫?zé)嵩磦鹘o 低溫?zé)嵩? ? 有溫差就會(huì)有傳熱 ? 溫差是熱量 傳遞的推動(dòng)力 8 自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差 ? 傳熱很普遍 b 夏 天人在同樣溫度（如： 25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？ c 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？ (1) 日 常生活中的例子： a 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持 20度，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？ 傳熱學(xué)回顧 9 (2) 特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題 (3) 幾個(gè)特殊領(lǐng)域中的具體應(yīng)用 a 航空航天 ：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（ Ma=10） 冷卻；核熱火箭 、 電火箭；微型火箭 （ 電火箭 、 化學(xué)火箭 ） ；太陽(yáng)能高空無(wú)人飛機(jī) 動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù) … 傳熱學(xué)回顧 10 b 微電子 ： 電子芯片冷卻 c 生物醫(yī)學(xué) ：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器 官的冷凍保存 d 軍 事： 飛機(jī) 、 坦克；激光武器；彈藥貯存 e 制 冷： 跨臨界二氧化碳汽車空調(diào) /熱泵；高溫 水源熱泵 f 新 能 源： 太陽(yáng)能；燃料電池 傳熱學(xué)回顧 11 2 熱量傳遞的三種基本方式 導(dǎo)熱 （ 熱傳導(dǎo) ） (Conduction) 熱量傳遞的三種基本方式： 導(dǎo)熱 (熱傳導(dǎo) )、 對(duì)流 (熱對(duì)流 )和 熱輻射 。 (1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí) ， 依靠分子 、 原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象 (2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生 (3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)： a 必須有 溫差 ； b 物體直接 接觸 ； c 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量； d 在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。 傳熱學(xué)回顧 12 (4)導(dǎo)熱的基本定律： 1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家 Fourier: ? ?W dd xtAΦ ????????????2mW ddxtAΦq ?上式稱為 Fourier定律，號(hào)稱導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中： ?：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量 [W]； q：熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量； A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積[m2]； ?：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率） [W/( m K)]。 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱 t 0 ? x ? dx dt Q 傳熱學(xué)回顧 13 (6) 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱及其導(dǎo)熱熱阻 如下頁(yè)圖所示，穩(wěn)態(tài) ? q = const，于是積分 Fourier定律有： ???? 210 dd21wwttttqtxq ww????? ??(5) 導(dǎo)熱系數(shù) ? 表明 材料導(dǎo)熱能力的大小 ，是一種物性參數(shù)，與材料種類和溫度關(guān)。 氣體液體非金屬固體金屬 ???? ???傳熱學(xué)回顧 14 Q 1wt 2wt?? A導(dǎo)熱熱阻的圖示 1wt2wtt 0 ? x ? dx dt Q ??? rtttq ww ???? 21??? RtAttΦ ww ???? 21????r??? AR ? 導(dǎo)熱熱阻 單位導(dǎo)熱熱阻 傳熱學(xué)回顧 15 (1) 定義：流體中溫度不同的各部分之間 ， 由于發(fā)生 相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng) 而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象 。 對(duì)流 （ 熱對(duì)流 ） (Convection) (2) 對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞 過(guò)程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)： a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程 b 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也 必須有溫差 c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的 邊界層 傳熱學(xué)回顧 16 (3) 對(duì)流換熱的分類 無(wú)相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱 對(duì)流換熱中邊界層的示意圖 傳熱學(xué)回顧 17 ? ?W )( ??? tthAΦ w? ?2mW )( fw tthAΦq???Convection heat transfer coefficient (4) 對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式 ——牛頓冷卻公式 h — 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ? — 熱流量 [W]，單位時(shí)間傳遞的熱量 q ? ?2mW— 熱流密度 ? ?K)(mW 2 ?A ? ?2m— 與流體接觸的壁面面積 wt? ?C?— 固體壁表面溫度 ?t — 流體溫度 ? ?C?傳熱學(xué)回顧 18 —— 當(dāng)流體與壁面溫度相差 1度時(shí) 、 每單位壁面面積上 、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量 ))(( ??? ttAΦh w ? ?K)(mW 2 ?影響 h因素：流速 、 流體物性 、 壁面形狀大小等 hhrthtqRthAtΦ???????? 1 )(1（ Convection heat transfer coefficient） (5) 對(duì)流換熱系數(shù) (表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ) 傳熱學(xué)回顧 19 hhrthtqRthAtΦ???????? 1 )(1][ )(1 WChAR h ??][ 1 2 WCmhr h ???Thermal resistance for convection (6) 對(duì) 流換熱熱阻： 傳熱學(xué)回顧 20 (1) 定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象 熱輻射 (Thermal radiation) (2) 特點(diǎn)： a 任何物體，只要溫度高于 0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射； b 可以在真空中傳播； c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； d 具有強(qiáng)烈的方向性； e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)； f 發(fā)射輻射取決于溫度的 4次方。 傳熱學(xué)回顧 21 (3) 生活中的例子： a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候 ， 會(huì)感到面向火的一面比背面熱； b 冬天的夜晚，呆