传热学是研究由温度差引起的热量传递规律的一门科学。
传热学的应用十分广泛。几乎所有的工程领域都会遇到一些在特定条件下的传热问题,包括有传质同时发生的复杂传热问题。归纳起来不外有两种类型:一类是着眼于传热速率及其控制问题,或者增强传热、缩小设备尺寸或提高生产能力,或者削弱传热、避免散热损失或保持设备正常运行的温度控制;另一类则着眼于温度分布及其控制问题。要解决这些问题,都需要以传热学理论为支撑。
本课程以热传导、对流换热、辐射换热为主要教学内容,并介绍传热学在热能工程、航空发动机、制冷空调、人机环境等工程问题的应用。系统介绍传热学中的数学模型、基本概念、基本理论与基本方法。经过本课程的学习,要求学生了解传热学的发展历史和现状,较深入地掌握传热学理论中的基本概念;较深入地掌握傅立叶导热基本定律、牛顿冷却定律、斯蒂芬-玻耳兹曼定律以及复合换热的分析方法;掌握非稳态导热、相变换热、传热过程与换热器、传质的基本理论和基本分析方法。通过实验学会使用传热学实验中常用的仪器,进一步认识传热现象和传热规律,对一般的传热问题具有初步的分析能力和计算能力。
课程考核方式:
课程考核成绩由单元作业、实验成绩和期末考试组成,其中实验成绩占10%,单元作业占20%,期末考试70%,总分100 分。60-84 分为合格,85-100 分为优秀。
本课程的先修课程主要有高等数学、普通物理、计算机语言、工程热力学、流体力学等。学生应具有微积分、微分方程、热力学、流体力学等知识结构,具有微分方程运算、分析和实验的基本能力。
第一章 稳定导热(理论授课6学时,实验2学时)
1.1 主要教授的内容
基本概念;导热基本定律;导热微分方程;一维稳定导热(平板,圆筒壁,变截面和变导热系数问题);通过肋片的导热;接触热阻;二维稳定导热的分析解法简介;数值解法简介。
1.2 本章重点难点
在稳定导热过程的教学中,以温度场的解析为纲。通过导热机理的阐述,分析影响导热系数的因素;通过描述热流密度与温度场关系的导热基本定律的阐述,建立描述温度场的数学模型;通过数学模型中各项物理意义的阐述,掌握稳定、一维/多维、有内热源/无内热源等导热过程的特征和一般数学求解方法;通过肋片和临界绝热直径的阐述,理解传热增强和削弱的基本途径。
1.3 本章实验:(1)圆球导热实验(验证):
(2)固体材料导热系数的测量(设计)。
第二章 非稳态导热(理论授课2学时,实验2学时)
2.1 本章讲授内容
非稳态导热的基本概念;集总热容法;非稳态导热的分析解和图解法;非稳态 导热的数值解。
2.2 重点难点
讲解非稳态导热过程的特点。集总热容法的分析求解。对一维非稳态导热问题的微分方程及定解条件应会列出,但不必求解,可直接给出分析解的最后形式,应对诺谟图作较详细介绍,使学生能应用诺谟图及近似计算公式进行工程计算。通过集总热容法的阐述,理解毕渥数(Bi)、傅里叶数(Fo)等相似特征数的物理意义。
2.3 本章实验:二维墙角温度场电热模拟实验
第三章 对流换热的理论分析(理论授课4学时)
3.1 本章讲授内容
对流换热概述;对流换热的数学描述;边界层微分方程;边界层积分方程。
3.2 本章重点难点
在对流换热过程的教学中,以对流换热系数的确定为纲。通过对流换热机理的阐述,归纳影响对流换热系数的众多因素,建立描述对流换热系数的微分方程;通过边界层理论的阐述,理解边界层微分方程、边界层积分方程的特征以及相应的求解思路。
第四章 对流换热的实验研究与经验公式(理论授课6学时,实验2学时)
4.1 本章讲授内容
相似理论;相似理论在传热实验中的应用;外绕壁面对流换热;管内流动对流换热;自然对流换热;高速气流对流换热。
4.2 本章重点难点
通过相似理论的阐述,掌握试验求解对流换热系数的原理和基本方法,理解雷诺数(Re)、努塞尔数(Nu)、普朗特数(Pr)和葛拉晓夫数(Gr)等相似特征数的物理意义;通过管内/管外流动换热、外掠平板/圆管流动换热、强迫/自然对流换热等物理过程的对比,理解各自的特征;适当充实高速气流对流换热的内容和对流换热相似准则的关系式等。
4.3 本章实验:(1)流体横掠绕流柱的传热特性实验(设计);
(2)无限大空间(介质为空气)的横管自然对流实验(验证)。
第五章 辐射换热(理论授课8学时)
6.1 本章讲授主要内容
热辐射的基本概念和基本定律;辐射角系数;黑体表面间的辐射换热;灰体表面间的辐射换热;热网络法;气体辐射以及与固体表面间的辐射换热。
总结与讨论。
6.2 重点难点
在辐射换热过程的教学中,以热辐射的基本概念和基本定律的认识为纲。通过方位特征和光谱特征的阐述,分析影响辐射特性的因素;通过描述辐射能力的相关物理量的阐述,辨析这些物理量之间的区别和联系;通过黑体、灰体和漫射体等辐射特性的阐述,掌握基本的热辐射定律及其应用条件;通过角系数、有效辐射等概念的阐述,理解空间辐射热阻、表面辐射热阻的特征,掌握辐射换热计算的网络法;充实燃气与固体壁面之间的辐射换热内容。
第六章 传热过程(理论授课2学时)
7.1 本章主要内容
复合传热;临界绝热半径;肋片效率;传热的强化与削弱。传热应用专题。
7.2 重点难点
在传热应用专题中介绍一些典型的航空发动机热端部件的传热问题(如冲击冷却、气膜冷却、粗糙管道和旋转盘腔的传热)和热管、太阳能集热器中的传热问题,以及传热学研究领域的最新进展。
《传热学》杨世铭,陶文铨等编著
《Heat Transfer》J.P.Holman著
《传热应用与分析》罗棣庵编著
《数值传热学》陶文铨编著
《 Fundamentals of Heat and Mass Transfer》 F.P. Incropera, D.P. DeWitt
《热传导》奥齐西克著
《对流换热》任泽霈编著
《辐射换热》王兴安、梅飞鸣编