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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热对流指由于流体的宏观运动，冷热流体相互掺混而发生热量传递的方式。这种热量传递方式仅发生在液体和气体中。由于流体中的分子同时进行着不规则的热运动，因此对流必然伴随着导热。

当流体流过某一固体壁面时，所发生的热量传递过程称为对流传热，这一过程在工程中广泛存在。在对流传热过程中，根据流体的流态，热量可能以导热方式传递，也可能以对流方式传递。

牛顿冷却定律（Newton's law of cooling)：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。

牛顿冷却定律

Q=hA(T?T0)

T0 为环境温度；T 为热源温度，A 为与热源接触的表面积，h 为一与传热方式等有关的常数，称换热系数。

对流换热系数:流体与固体表面之间的换热能力，比如说，物体表面与附近空气温差1℃，单位时间（1s）单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m^2·℃)或J/(m^2·s·℃)。表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位以及流体的流速等都有密切关系。

九、自然对流和强制对流的概念及其区别；

根据引起流体质点位移(流体流动)的原因，可将对流传热分为自然对流传热和强制对流传热。

自然对流传热是指由于流体内部温度的不均匀分布形成密度差，在浮力的作用下流体发生对流而发生的传热过程，例如暖气片表面附近空气受热向上流动的过程。

强制对流传热是指由于水泵、风机或其他外力引起流体流动而发生的传热过程。流体进行强制对流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。

十、凝结与沸腾换热等伴随有相变的对流换热现象；

根据流体与壁面传热过程中流体物态是否发生变化，可将对流传热分为无相变的对流传热和有相变的对流传热。无相变的对流传热指流体在传热过程中不发生相的变化；而有相变的对流传热指流体在传热过程中发生相的变化，如气体在传热过程中冷凝成液体，或液体在

传热过程中沸腾而转变为气体。

十一、热辐射的本质和特点

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。辐射有多种类型，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。发出热辐射与吸收热辐射过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射换热。当物体与物体或周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡，研究表明物体向外发出的热辐射和吸收的热辐射相等，但是该物体与其他物体或环境之间的辐射与吸收过程仍在不停地进行。高温物体通过辐射换热将热量传给低温物体实际上是由于高温物体给低温物体的辐射能大于低温物体给高温物体的辐射能的综合结果。

与导热和对流换热相比，热辐射具有如下特点：

（1）辐射能可以通过真空自由地传播而无需任何中间介质；

（2）一切物体温度高于0K的物体均能够持续地发射出辐射能，同时也能持续地吸收来自其他物体的辐射能；

（3）热辐射不仅具有能量的传递，而且具有能量形式的转换。发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。

十二、黑体、灰体、漫射体、发射率、吸收率

黑体（black body），是一个理想化了的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。

如果某一物体的单色吸收率与投射到该物体的辐射能的波长无关，即=α=常数，则称为灰体。对热辐射能只能吸收一部分而反射其余部分的物体。例如一般的固体和液体。

灰体对可见光波段的吸收和反射在各波长段为一常数，即不具有选择性吸收和反射的物体，如黑色物体其吸收系数为1（反射系数为0），白色物体反射系数为1（吸收系数为0），而灰色物体则反射系数和吸收系数在各波长段皆为常数，因此呈现出或黑或白或灰的颜色漫射体：对于定向辐射强度随θ的分布满足兰贝特定律的物体，其定向发射率在极坐标中是半径小于1的半圆，这样的物体称为漫射体。

发射率：实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能量之比称为是及物体的发射率。

吸收率是指投射到物体上而被吸收的热辐射能与投射到物体上的总热辐射能之比称为该物体的吸收率。

十三、斯蒂芬－玻尔兹曼常数；

斯忒藩--玻尔兹曼定律给出:与其表面积成正比,与有效温度的四次方成正比,当然还得乘上玻尔兹曼常数。

物体温度越高,向外辐射的总能量越多,在单位时间内其单位面积辐射的辐射能量E为

E=εσT4

T——物体的绝对温度(K); σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数,σ=5.67×10-8W/(m2·K4); ε——表面辐射系数，其值在0和1之间，由物体表面性质决定。

斯忒藩—玻尔兹曼定律只给出黑体所发射的包括一切频率在内的辐射总能量。而没有涉及到谱辐射本领ro(λ,T)的具体形式。

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