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1、传 热 学,（Heat Transfer）,一、学时 总学时：50，讲课：46，实验：4。 二、教材 传热学，杨世铭、陶文铨编著，第四版 三、教师与辅导 教师：谢丽芳，电话：13872273436 Email： 四、考核方法 1.平时成绩（40%）：随堂作业、提问、点名 2.随堂考试，开卷（60%）。,教材: 传热学杨世铭等，第四版 传热学戴锅生等 传热学章熙民等编著 凝结和沸腾施明恒等编著 辐射换热 余其铮编著 传热学考试要点与真题精解胡小平等,参 考 书,青藏铁路,浮式液化天然气(FLNG)系统,篆文 （执，持握） （火）， 造字本义：引火加温。 隶书 将 （火）写成 （四点底）。,甲骨文
2、 像双手高举 火炬,“热” 的含义,文言版説文解字：熱，溫也。从火埶聲。 白话版说文解字：热，给食物加温。字形采用“火”作边旁，“埶”是声旁。,人类对于火以及与火密切相关的热的探索，可追溯到上古时代，古代人视火为神灵； 商周时代，我国就有“金、木、水、火、土”的五行说，把火看成是一种物质； 古希腊赫拉克利特认为万物由火而生；古希腊恩培多克勒提出了“土、冰、火、气”四元素说，把火也看成是一种独立的基本元素；,“热”的本质,18世纪，有了温度计，确定了热量的单位，人们对于热有了较深入的认识；,俄国科学家罗蒙诺索夫在1744年写的论文论热与冷的原因中认定热是物体内物质的运动；,1756年，英国科学家
3、布莱克(Black)提出了“热素说”。他认为，热是一种叫“热素”的物质，它既没有体积又没有质量，充满在物体的空隙之间。一个物体的温度，是由它所包含的热素的多少决定的；,1789年法国著名化学家拉瓦锡在化学的元素一书里，正式将“热素”列为无机界的23种元素之一。和“热素说”同时流行着一种“燃素说”，认为燃烧是“燃素”的作用。,1798年，伦福德在监督钻制大炮时，发现炮筒在钻孔中发出大量的热，工人用冷水去冷却。不到3小时便可以让8千克的水沸腾。,1799英国科学家戴维冰在真空中摩擦实验。“热素说”破产。,19世纪30 和40 年代，热质说又在某些“以太论”中出现。,1830年，Carnot放弃了热
4、素说，在笔记本中明确地提出了热的分子运动论和能量守恒与转化定律,初步揭示了热的本质。,1842 年，德国医生迈尔（18141878）在“论无机界的力”的论文中认为热与机械能可以转换，并建立起量值上具有相当性的概念。,焦耳从1840年起花了近40年时间，用实验证明：要使一磅水温度升高1华氏度，需做功772英尺磅。这个数值相当于1cal4.157J，这与目前国际公认的热功当量值4.1868J非常接近。焦耳实验说明热和功是能量传递与转换的两种不同形式，并可以一定的当量关系相互转换，从实验上彻底推翻了热质说。 与此同时，克劳修斯进行了大量的理论性工作，证明物体温度是组成该物体的分子无规则热运动的宏观表
5、现，从理论上推翻了热质说，确立了热的分子运动论。,传热学课程体系,第一章 绪论 第二章 稳态热传导 第三章 非稳态热传导 第四章 导热问题的数值解法 第五章 对流传热的理论基础 第六章 单相对流传热的实验关联式 第七章 相变对流传热 第八章 热辐射基本定律和辐射特性 第九章 辐射传热的计算 第十章 传热过程分析和换热器的热计算,热传导,对流传热,辐射传热,第一章 绪 论,1-1 概 述,1-3 热量传递的三种基本方式,1-4 总传热过程,1-2 传热学最新研究动态,(1) 研究热量传递规律的科学，主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法。,一、基本概念,1-1 概 述,1. 传热学（Heat
6、 Transfer）,(2) 热量传递过程的推动力：温差 理论基础：热力学第二定律，热量可以自发地由高温热源传给低温热源。 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力,2. 传热学与工程热力学的关系,(1)热科学(Thermal Science) = 热力学 + 传热学,系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少,热量传递的过程，即热量传递的速率,（a）稳态传热过程； （b）非稳态传热过程。,3、热量传递过程,物体中各点温度不随时间而变的热传递过程。各种热力设备在持续不变的工况下运行时的热传递过程属稳态传热过程。,（1）稳态传热过程（定常过程）,根据物体温度与时间的关系，热量传递过程可
7、分为两类：,凡是物体中各点温度随时间的变化而变化的热传递过程。 各种热力设备在在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态热传递过程。,（2）非稳态传热过程（非定常过程）,二、讲授传热学的重要性及必要性,1、传热学是能源、动力、化工、电子、机械等专业的主干技术基础课程。是否熟练掌握该课程的内容，直接影响到后续专业课的学习效果。 2、传热学在生产技术领域中应用十分广泛：,(1) 日常生活中的例子,北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？,(2) 存在大量传热问题的技术领域,动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军
8、事科学与技术、生命科学与生物技术,(3) 几个特殊领域中的具体应用,a. 航空航天：航天飞机在重返地球时以当地音速的1520倍的极高速度进入大气层，由于飞行器与空气的相对运动，在表面产生剧烈的摩擦加热现象，使气流局部温度达500015000K，为保证飞行器安全飞行，有效的冷却和隔热方法的研究是问题的关键。,高温叶片气膜冷却与发汗冷却； 火箭推力室的再生冷却与发汗冷却； 卫星与空间站热控制； 空间飞行器重返大气层冷却； 超高音速飞行器冷却等。,b. 微电子：20 世纪 70 90 年代，集成电路芯片的功率从 10W/c100W/c，产生的热量增大，若热量不能及时的散发出去（冷却），会使芯片温度升
9、高，而影响电子器件的寿命及工作可靠性。因此，电子器件有效散热是获得新产品的关键。,c. 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存。 d. 军事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存。 e. 制冷：跨临界二氧化碳汽车空调；高温水源热泵。 f. 新能源：太阳能；燃料电池。,三、传热学的特点、研究对象及研究方法,传热学是一门理论性、应用性极强的课程，在热量传递的理论分析中涉及到很深的数学理论和方法。在生产技术领域应用十分广泛。,1、特点,1 ）理论性、应用性强,课程教学内容的组织和表达从以往单纯的为后续专业课学习服务转变到重点培养学生综合素质和能力方面，这是传热学课程理论联系实际的核心。从实
10、际工程问题、科学研究中提炼出综合分析题，对培养学生解决分析综合问题的能力起到积极的作用。,2 ）教育思想发生了本质性的变化,传热学研究的是由微观粒子热运动所决定的宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻求热量传递的规律，认为研究对象是个连续体，即各点的温度、密度、速度是坐标的连续函数，即将微观粒子的微观物理过程作为宏观现象处理。,2、研究对象,数学分析法；积分近似解法； 比拟法；数值计算；实验研究。,3、研究方法,通过学习能熟练掌握传热过程的基本规律、实验测试技术及分析计算方法，从而达到认识、控制、优化传热过程的目的。,4、学习目的,1-2 传热学最新研究动态,一、生物医学传热,研究内容涉及从细胞
11、、亚细胞层次到组织、器官直至整个生物个体内的热质传输现象，以及对人体器官，系统正常和异常热生理过程的解释和阐明，并应用复杂而精确的数学模型对其进行描述。它是生物、医学与传热学等学科的交叉，是正在蓬勃发展中的学科。,1. 1948年Pennes生物传热方程：,Wb体积血流量， kg(m3 s) Cb血的比热容，J(kg) Ta动脉血温度， qm（代谢率项）局部组织新陈代谢引起的化学能向热能的转变， Wm3,基于解剖学和热分析，Weinbaum、Jiji等和Song等在一系列的论文中提出了一种全新的皮肤肌肉复合层传热的三层模型。,1966年，Stolwijk建立了Stolwijk模型，将人体分为3
12、个部分并抽象成圆柱体，头部包括皮肤和核心，躯干和肢体由核心、肌肉和皮肤组成。中心血液作为单独部分，以突出血液灌注率的作用。,1971年，Stolwijk采用Wissler的多节段模型，丰富和发展了其1966年提出的模型，将人体分为6个节段，即头部、躯干、手臂、手、腿和脚，将各节段看作圆柱体，并且每个节段又由核心、肌肉、脂肪、皮肤4层组成。各节段及各层之间通过中央血液有机地联系在一起，共25个单元，又称25节段模型。,当前，国内外生物传热的研究重点：,（1） 生物传热数理模型的建立; （2）临床医学中的热物理问题，包括肿瘤的热疗，冷冻外科，烧伤、冻伤、烫伤等的热作用机理及康复研究; （3）基于生
13、物组织的超微解剖结构的血管传热; （4）生物体空间温度场的无损重构;,(5) 生物体的热物性参数，如热导率、热扩散率、血液灌注率、代谢率等基本物理量的测定; (6) 人体特殊结构的传热问题，如人体呼吸道的空调功能，头发、毛发在皮表覆盖的热调节作用; (7) 疾病的无损实时热诊断技术; (8) 各类热物理因子，如超声、微波、红外、射频等作用于人体及各种生命材料时产生的热学效应研究; (9) 生命热现象的研究。,研究成果应用领域： 1.低温外科手术； 2.激光手术； 3.移植器官的冷冻保存； 4.肿瘤的热疗； 5.冷疗； 6.低温脑复苏； 7.疾病热诊断技术等。,二、微细尺度传热学,致力于尺度微形
14、化极限情况下的传热学规律研究：一个是空间尺度极限，其研究的几何尺度可以到微米或微毫米级；再一个是时间尺度极限，即在微秒以至微毫秒内瞬时传热规律的研究。,1.研究背景,a. 近年来信息工业、生命科学与技术、航天技术、能源工程、材料工业及现代毫微米制造技术、高集成度微电子器件、微加工技术和微电子机械系统(MEMS)在工程上的应用，人工合成高精尖新材料、超导技术等的惊人进展。,2. 新材料的合成与制备，超大规模集成电路的热设计和热控制，航天器内生命保障系统的传热过程，生命过程中的热现象，微结构内的流动传热传质，蒸发、凝结时汽液界面的分子传输等，由于它们的特征尺度与载热体(分子、电子、声子、光子)等的
15、平均自由程处于同一量级甚至更低，导热的Fourier定律、流动的NS方程已不再适用，微结构表面的辐射性质亦出现奇特的变化，已经不能有效地用传统的传热传质理论及传统实验方法加以解决，导致热现象由宏观研究到微观研究的历史性转变，促使微细尺度传热学这一学科的出现和形成。,2.研究内容,(1)对流换热 微细结构表面及微槽管和微孔隙多孔材料中的流动和有无相变时的传热传质；薄液膜流动单相与蒸发传热传质及稳定性的研究,(2)热传导 介电材料薄膜内的热传导；金属薄膜内的导热与膜厚度的关系，边界电子散射的影响；超导材料薄膜导热率与材料种类、膜厚、温度的关系,(3)热辐射 辐射性质与微尺度的关系，几何光学区、电磁
16、微尺度区、电子传输微尺度区、量子尺寸区的辐射特性,(4)相变传热 壁面上蒸发液滴内部的微对流现象；液体表面蒸发与凝结分子动力学；生物材料的微冷冻过程。 (5)微重力传热传质微、零重力环境下的流动与对流换热 微、零重力环境下相变(沸腾、凝结和熔化、凝固)换热机理；微、零重力环境下传热传质的地面模拟实验方法与实验技术。,三、现代电子器件冷却方法,1954，贝尔实验室研制出 第一台晶体管线路的计算机,1642，世界上第一台计算机,电子器件特征尺寸不断减小，芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。芯片热流密度的不断升高则对电子器件热可靠性设计提出了更高的要求。能够解
17、决电子器件过热问题的热设计早已引起国内外研究单位的高度重视，并得到了很大的发展。,经过近年来的研究，已研究出比较成熟的冷却方式，如自然冷却技术、强迫空气冷却技术、液体冷却技术、相变冷却技术、其他冷却技术(如热管，冷板等)。,四、多相流传热传质,由于多相流动及其传质过程的复杂性，多相流热物理现在仍是一门试验性很强的学科，但由于其问题过分广泛和复杂，至今仍未能将解决多相流问题的方法、技术或理论统一起来，更未形成以严格的数学理论为基础，推导和构造出具有严密内在联系与不同适用范围的完整科学体系。,研究新动向：,建立统一的理论和应用技术体系方法。研究相界面的生成、运动、变化以及两相流紊流结构等非线形理论及其数学模化、数值计算与测试技术。,研究存在磁场、电场、离心力场、高速运动体内、生物体内、微重力或失重等非常规环境及超高热负荷、超高能密度、微型通道等条件下的两相及多相流动与传热理论，以及研究常规条件下复杂几何通道、复杂多组分多相流动与传热传质理论和技术。,五、多孔介质传热传质,多孔介质质量、动量和能量的传递过程涉及渗流、相变、扩散、流体力学、热力学、传热学等学科，是一非常复杂的传输现象。 在水文、地质、石油勘探与开采、地热利用、建筑等工程技术应用领域，都涉及带有众多空隙的固体中的热量传递问题。多孔介质中的热量传递过程，无论在过去还是现代，都是引人注目的研究课题。,