传热基本概念和定律.ppt

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1、火箭发动机传热学,Rocket Heat Transfer,学 分：2教 师：陈 雄职 称：讲 师联系方法：84315456,学习内容安排,第一讲 传热基本概念和定律第二讲 导热基本定律及稳态导热第三讲 非稳态导热第四讲 对流换热第五讲 辐射换热第六讲 固体火箭发动机中的传热基本知识第七讲 固体火箭发动机中的热传导 第八讲 固体火箭发动机中的对流换热第九讲 固体火箭发动机中的辐射换热与复合换热第十讲 固体火箭发动机燃烧室的热防护第十一讲 固体火箭发动机喷管的热防护第十二讲 数值传热学概述,参 考 书,教 材：固体火箭发动机传热学郑亚等编著 辅助教材：传热学 杨世铭、陶文铨编著，第三版数值传热学

2、 陶文铨编著 Heat Transfer(2nd Edition),by Anthony F.Mills Heat Transfer,by,考 核 方 法,平时成绩:30%(包括：出勤及小测验)期末考试:70%,第一讲 传热基本概念 和定律,(1)研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递的机理、规律、计算和测试方法,(2)热量传递过程的推动力：温差 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,1 概 述,1.1 传热学（Heat Transfer）,1.2 传热学与工程热力学的关系,(1)热力学+传热学=热科学(Thermal Sc

3、ience),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。,关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。,热力学：热传递过程总的热量，以及各稳定状态的状态参数，时间可能是无限的传热学：热传递过程的瞬态 或非稳定情况,(2)传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的,图1-1 传热学与热力学的区别,1.3 传热学应用实例,自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍,b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？,c 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？越厚越好？,(1)

4、日常生活中的例子：,a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持20度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？,(2)几个特殊领域中的具体应用,a 航空航天：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（Ma=10）冷却核热火箭、电火箭微型火箭（电火箭、化学火箭）太阳能高空无人飞机,b 微机电系统（MEMS）：电子芯片冷却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/热泵；高温水源热泵f 新 能 源：太阳能

5、；燃料电池,冷却技术失效时,哥伦比亚航天飞机解体（Shuttle Columbia）Feb.1st,2003（STS-107 mission）,大推力液氢液氧火箭发动机推力室发汗冷却,再生冷却的火箭发动机,电阻电火箭,电阻电热推进器两层结构的、具有菱形立柱状加热器的新型微推进器。喷管喉部尺寸为1080m,电阻电热推进器,微型电阻电火箭,气化腔：100050010m 加热功率：40W加热电阻：8204402m 加热时间：10s1ms,微推进器结构图,微型化学推进器同相催化微型化学推进器，采用过氧化氢工质，测试实验，脉冲冲量可控制于0.11.6mNs,超高音速飞行器,高超音速领域的研究,Passi

6、ve Cellular Core Jet Blast Deflector,Passive Cellular Core Jet Blast Deflector Construction,电子器件冷却,新材料,1.4 传热过程的分类,按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。,1.5 固体火箭发动机中的传热现象,图1-2 固体火箭发动机简图,(1)固体火箭发动机的工作过程是一个典型的由固体推进剂装药的化学能转变为固体火箭飞行动能的过程，固体推进剂装药燃烧后不断地产生大量的高温（最高达3000K以上）和有一定压力（几兆帕到一、二十兆帕左右）的燃气，并连续排出。,(2)发动机中的传热现象是多种

7、形式的。燃气除了将热量传给装药以维持连续燃烧外，还同时把热量传给燃烧室壁、喷管及挡药板。这些部件在这种高温燃气的作用下，温度将急剧上升，材料强度将有明显下降的趋势。当发动机工作时间较长时，这种强度下降的趋势就更为显著。特别是在喷管喉部，通道面积最小，燃气密流最大，来自热燃气的热流密度达到最大，工作条件最为恶劣。,(3)在设计火箭发动机各部件结构时，就需要从它们在受热状态下的实际强度出发，或者要考虑在各部件上分别采取热防护措施。因此，也就需要了解各部件受热后的温度分布，需要进行严格的传热计算。这就是传热学要解决的问题。,(4)由于燃气向周围传热，将造成燃气的热损失。这种热损失将反过来影响发动机内

8、的能量转换规律及压力变化规律。长期以来，由于固体火箭发动机内传热现象的复杂性，在一般的内弹道研究中，考虑热损失的影响，通常都采用增加比热比或减少火药力的间接方法进行修正。近年来，随着计算技术的发展，已能够把非定常热传导包含在内弹道方程之中，从而使得理论的研究更进一步准确化。,2 热量传递的三种基本方式,2.1 导热（热传导）(Conduction),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。,(1)定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象,(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生,(3)

9、导热的特点：a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。,(4)导热的基本定律：1822年，法国数学家Fourier:,上式称为Fourier定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态导热。负号表示导热方向与温度梯度方向相反。其中：,：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/(mK)。,图2-1 一维稳态平板内导热,(6)一维稳态导热及其导热热阻 如图2-1所示，简化结果如图2-2所示，稳态 q=const，于是积分F

10、ourier定律有：,(5)导热系数 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。,图2-2 一维稳态导热 简化结果,例题 2-1 一块厚度=50 mm 的平板，两侧表面分别维持在,试求下列条件下的热流密度。,材料为铜，=375 w/(mK);材料为钢，=36.4 w/(mK);材料为铬砖，=2.32 w/(mK)；材料为铬藻土砖，=0.242 w/(mK)。,解：参见图2-1和图2-2。及一维稳态导热公式有：,铬砖：,硅藻土砖：,讨论：由计算可见，由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别，导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。因而，铜是热的良导体，而

11、硅藻土砖则起到一定的隔热作用。,铜：,钢：,(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。,2.2 对流（热对流）(Convection),(2)对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层,(3)对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热,图2-3 对流换热中边界层的示意图,(4)对流换热的基本计算公式牛顿冷却公式,图2-4 平

12、壁上的对流换热,h物理意义：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：流速、流体物性、壁面形状大小等,（Convection heat transfer coefficient）,(5)对流换热系数(表面传热系数),(Thermal resistance for convection),(6)对流换热热阻：,(1)定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象。,2.3 热辐射(Thermal radiation),(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

13、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。,(3)生活中的例子：a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；c 太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可能结冰。,(4)辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样(参照图3-1)。,(5)辐射换热的特点：,a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能c 无论温度高低，物体都在不

14、停地相互发射电磁 波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。,(6)辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。,(7)黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。,(8)黑体辐射的控制方程：斯忒藩-波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,真实物体则为：,(9)两黑体表面间的辐射换热(参见图2-5和图3-2),图2-5 两黑

15、体表面间的辐射换热,例题 2-2 一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W/(m2 K),保温层外表面的发射率,问：（1）此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；（2）计算每米长度管道的总散热量。解：（1）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（2）把管道每米长度上的散热量记为,近似地取管道的表面温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：,讨论：计算结果表明，对于表面温度为几十摄氏度的一类表面的散热问题，自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必

16、须同时予以考虑。,当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热,3 传热过程和传热系数,3.1 传热过程的定义,3.2 传热过程包含的传热方式,导热、对流、热辐射,辐射换热、对流换热、热传导,图3-1 墙壁的散热,两流体间通过固体壁面进行的换热。,3.3 一维稳态传热过程中的热量传递,图3-2 一维稳态传热过程,忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻,固体的导热热阻,右侧对流换热热阻,上面传热过程中传递的热量为：,传热系数，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。,传热系数,a k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大,c h1、h2的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要内容；,注意：,b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法；,思考题：1.热量传递的基本方式及传热机理。2.一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。4.黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量的定义。5.传热过程及传热系数的定义及物理意义。6.热阻的概念。对流热阻,导热热阻的定义及基本表达式。7.使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。8.对流换热和传热过程的区别。表面传热系数(对流换热系数)和传热系数的区别。9.导热系数,表面传热系数和传热系数之间的区别。,