04 1.4 传热学研究方法.pptx

第1页：传热学研究方法

1-4 传热学研究方法：本页为《传热学》课程课件封面，标示课程名称与本讲主题。

第2页：1.4.1发展简史

1.4.1发展简史（18世纪～20世纪60年代）1.4传热学的发展简史和研究方法1.对导热理论作出贡献的主要科学家表了《热的解析理论》，完成了创建导热理论的任务。

他提出的导热定律正确概括了导热现象的实验结果，称为导热傅里叶定律。

• 2) J.B. Fourier导热理论的奠基人。

1807年提出了求解偏微分方程的分离变量法；

1821年发识到应该将表面对流传热系数考虑到导热问题中，但是未能获得求解方法。

• 1) J.B.Biot他在1802－1803年研究了导热问题，并且认

第3页：对对流换热理论作出贡献的主要科学家

• 2.对对流换热理论作出贡献的主要科学家1) I .Newton他于1741年提出当温度为tw的物体受到温度为tf流体的冷却时，应有如下表示式：后人将对流换热的称为牛顿冷却公式，他本人实际上并未提出此式。
• 2) M.Navier(1823)与G.G.Stokes(1845)建立了流体运动基本方程；

O.Reynolds(1880)提出一个对判断流动状态有决定性影响的无量纲群。

• 3) L.Prandtl(1904)提出了边界层概念，使部分流动问题的分析解成为可能；

1921年E.Polhausen引进了热边界层概念，推动了对流换热分析解的发展。

第4页：W.Nusselt对流换热理论的杰出先驱

• 4) W.Nusselt对流换热理论的杰出先驱。

1909，1915年的两篇论文建立了对流换热的无量刚分析方法；

关于凝结换热的求解方法是传热学分析解的典范。

• 5) M. Jakob1936年从德国移居美国。

在沸腾，凝结以及传热学专著写作方面贡献突出。

美国ASME从1960年起设立传热Jakob奖。

• 6) ERG. Eckert二战后从德国移居美国。

在自然对流，高速气流传热等方面贡献突出。

他活到百岁生日前1个月去世（2006）。

第5页：年夏于Eckert教授办公室

1981年夏于Eckert教授办公室

第6页：对辐射换热理论作出贡献的主要科学家

• 3.对辐射换热理论作出贡献的主要科学家1)J. Stefan澳大利亚物理学家。

1879年用试验证明了黑体辐射正比于绝对温度的四次方。

• 2)L. Boltzmann德国物理学家。

1884年从热力学角度证明了黑体辐射正比于其绝对温度的四次方。

• 4)GR Kirchhoff德国物理学家。

1859年提出了确定物体吸收比和发射率之间关系的定律。

• 3)M.Planck德国物理学家。

1900年提出了能量子的概念，据此建立了黑体辐射能随波长分布的定律。

第7页：S=k log W

S=k log W

第8页：1.4.220世纪后半页的近代发展

1.4.220世纪后半页的近代发展1.强化传热的研究高峰迭起上世纪70年代的能源危机以及近年来全球面临的能源短缺使强化传热的研究有增无减。

进入20世纪后半叶以来以下四个方面的发展特别瞩目：2.传热学基本原理与专业领域密切结合先后出现了如焊接传热学，生物传热学等分支应用领域。

• 3.计算传热学蓬勃发展应用数值方法通过计算机求解传热问题的分支领域随着计算机的发展而在传热学的科学研究与应用种起到重要作用。
• 4.微纳米传热学的积极兴起从上世纪末以来随着微纳米机电系统的发展微纳米流动与传热问题的研究得到迅速发展和应用。

第9页：利用实验手段进行规律测定从传热学诞生时起

• 1.利用实验手段进行规律测定从传热学诞生时起直到现在实验研究一直是传热学的基本研究方法，研究手段在不断发展进步。

1.4.3研究手段与方法介绍获得传热规律的实验测定原理与技术的内容构成“实验传热学”。

第10页：Joule’s apparatus

Joule’s apparatus in 1861竖管内水蒸气凝结与环形空间冷却水之间换热的实验（对比环形空间内有螺旋线与无螺旋线的差别）36%58%1861焦耳的凝结换热实验

第11页：利用数学理论进行分析求解对所研究的物理过

• 2.利用数学理论进行分析求解对所研究的物理过程:(1)作出合理的简化假设；
• （2）据此建立所研究物理问题的数学描写（微分方程与单值性条件）；
• （3)然后用数学方法获得问题的解析解。

介绍传热问题分析解内容的可

“分析传热学”，导热，对流与辐射都有这样的专著

第12页：利用计算机进行近似数值解在空间一些代标性

• 3.利用计算机进行近似数值解在空间一些代标性地点上将描写实际传热问题的偏微分方程（导热方程、N-S方程)及边界条件转化为代数方程组，利用计算机进行近似求解。

介绍如何将描写实际传热问题的偏微分方程转化为代数方程，利用计算机进行近似求解的内容就是“计算传热学”或称“数值传热学”。

随着计算机硬件技术的迅速发展，其应用会越来越广。

目前已经发展成为不少领域的不可或缺的研究手段，如航空航天领域。

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第14页：以下是本书作者的团队所完成的

以下是本书作者的团队所完成的2个计算例子：（1）大电流母线的冷却。

大电流母线中流场的计算结果及与可视化实验的对比外壳流过大电流

第15页：等温封闭腔中一块竖直热平板之间的流场

等温封闭腔中一块竖直热平板之间的流场（2）封闭腔中的自然对流

第16页：从载流子观点进行基础研究热辐射热对流热传

• 4.从载流子观点进行基础研究热辐射热对流热传导能量载流子载流子速度,m/s进入21世纪后随着微纳领域研究的深入开展，从载流子的角度进行的基础研究越来越受到重视。

气体---分子液体---微团；

非导电固体---声子(phonon);金属---电子流体微团光子(photon)分子---热可几速度微团---热速度声子---声速；

电子---漂移速度层流--流体速度湍流--脉动速度光速

第17页：介绍从载流子的角度进行传热问题分析研究的

介绍从载流子的角度进行传热问题分析研究的可称为“物理传热学”或者“粒子传热学”。

第18页：本课程以介绍实验研究的结果为主

本课程以介绍实验研究的结果为主，特别是在相似原理指导下由实验得出的对流换热规律，是本课程的主要学习内容之一。

同时将通过导热问题、边界层流动以及蒸汽凝结换热等例子介绍分析解方法。

通过导热问题介绍数值解这种方法。

配合本课程将组织一系列传热问题的实验，以掌握传热问题的最基本实验研究方法。

“工程传热学”EngineeringHeatTransfer是目前国际上本科生传热学教学的主要构架：既为学生毕业后从事工程设计提供必需的知识，又为继续深造的学生准备了初步的基础。

第19页：热量传递速率方程汇总表

本章小结1.热量传递的速率方程注意事项有关系数速率方程传递方式序号导热12辐射换热3传热过程4单位是物性参数单位不是物性参数是无量纲量单位单位负号的意义对流换热与流体及过程有关物体1被包围在大物体2中与两侧流体及过程有关

第20页：2.同样的室温人体冬夏的感觉为何不同

• 2.同样的室温人体冬夏的感觉为何不同？

例题1-5人体冷暖的感觉是由于其散热量不同所致。

为计算上述条件下人体的散热量，假定（1）不计人体与地板之间的热传递；

• （2）过程是稳态的。

室温25,人体与空气的对流换热系数取为2.6,人体表面温度为30，表面发射率0.95,四周墙壁夏天26冬天10。

分析

第21页：则人体的总散热量是对流与辐射换热的总和

则人体的总散热量是对流与辐射换热的总和；

人体与四周墙体的辐射符合大空间中一个小物体的模型：冬夏不变夏天26冬天10将人体的散热面积简化为直径25厘米、高175厘米的圆柱体，得冬天的散热量是夏天的三倍多，导致冬感觉“冷”而夏则感觉“热”（热量散出去不多）

第22页：3.怎样学习传热学

• 3.怎样学习传热学？
• （1）要牢固掌握传热学的基本概念，课后不要急着做题完成作业，而首先要将当天课程的基本概念搞清楚；
• （2）要注意培养分析复杂热传递过程中包含了哪些传递方式的能力；

能选用合适的公式或方法进行传热量或者物体温度的计算；

• （3）要注意培养对实际工程问题进行适当简化以建立物理模型和数学模型的能力；
• （4）建议记一些工程计算中最常用的基本数据。

有助于对遇到问题的快速分析与判断。

第23页：国外教材介绍

国外教材介绍J.P.HolmanF.P.IncroperaD.P.DeWittY.A.Cengel

第24页：机械工业出版社出版的简约本

机械工业出版社出版的简约本

第25页：贯穿全课程的几个思考问题

• 4.贯穿全课程的几个思考问题（1）同样温度的木头和金属，为什么手触摸的感觉大不一样？

第26页：为什么处于锅炉炉膛四周受到熊熊烈火燃烧

• （2）为什么处于锅炉炉膛四周受到熊熊烈火燃烧（1500-2000K)中的钢管，只要其内有水流过可以安然无恙？
• （3）电影泰坦尼克号中一对青年恋人：Rose和Jack的命运为什么不一样：一个被冻死而另一个没有？

第27页：为甚么同一个物体在太阳的照耀下与在白炽灯

• （4）为甚么同一个物体在太阳的照耀下与在白炽灯下的颜色会不同？
• (5)森林大火时常常是较远的地带先被引燃，而树根附近地面反而后着火？

第28页：有1项国外专利提出夏天为加速饮料罐的冷却

• 6.有1项国外专利提出夏天为加速饮料罐的冷却可将饮料罐置于冷水中旋转，并且设计了旋转的机构，这个概念正确吗？

第29页：Cold waterHot

Cold waterHot can使罐头在冷水中旋转能加速其内饮料的冷却吗？

第30页：“传热学”作为学科的特点

“传热学”作为学科的特点：1.应用范围十分广泛；

• 2.研究内容与时俱进：核能工程的发展推动了沸腾传热的研究；

能源危机使强化传热研究得到普遍重视；

微纳米技术的出现催生了微纳米传热学。

第31页：研究方法适合各类人才传热学是这样一门应用

• 3.研究方法适合各类人才传热学是这样一门应用广泛又极具研究魅力的基础技术学科，希望同学们刻苦学习，取得丰硕的成绩！