高等傳熱學(xué)課件-第1章緒論

admin 2011-08-22

高等傳熱學(xué) 第一章緒論
傳熱學(xué)的研究范疇,熱力學(xué)研究范疇,系統(tǒng)與外界發(fā)生相互作用時(shí)，伴隨著能量傳輸，這種相互作用稱(chēng)為功和熱。
只論及發(fā)生這種相互作用的過(guò)程的終態(tài)，并不討論這種相互作用的特性，以及相互作用進(jìn)行的速率。
傳熱學(xué)研究范疇
能量傳輸過(guò)程中
這種相互作用的特性
這種相互作用的速率

何為傳熱以及如何傳熱
傳熱：由于溫差而引起的能量的轉(zhuǎn)移。
發(fā)生在：
物質(zhì)本身物質(zhì)之間彼此接觸彼此不接觸
兩種傳熱類(lèi)型——依傳熱媒介考慮
質(zhì)點(diǎn)或微團(tuán) 電磁波
這兩種傳熱的數(shù)學(xué)處理有著截然的不同。
現(xiàn)行的分類(lèi)
傳導(dǎo)傳熱：發(fā)生在物質(zhì)（固體或靜止流體）內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移。
對(duì)流傳熱：發(fā)生在彼此接觸且有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩種不同物性的物質(zhì)（固體與流體，或液體與氣體）之間的能量轉(zhuǎn)移。
輻射傳熱：發(fā)生在彼此無(wú)物理接觸的兩種物質(zhì)之間的能量轉(zhuǎn)移。
熱設(shè)計(jì) http://www.93ssc.com

傳導(dǎo)傳熱的物理機(jī)制及其科學(xué)問(wèn)題
傳導(dǎo)傳熱的物理機(jī)制物質(zhì)由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成這些質(zhì)點(diǎn)可以在一定的范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的能量與質(zhì)點(diǎn)自身所處的溫度有關(guān)質(zhì)點(diǎn)碰撞模型——物質(zhì)中攜帶能量較大的質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)碰撞將能量轉(zhuǎn)移至能量攜帶較小的質(zhì)點(diǎn)。

微觀解釋?zhuān)嘿|(zhì)點(diǎn)碰撞
微觀解釋?xiě)?yīng)用于宏觀現(xiàn)象時(shí)，必須解決：
①材料的化學(xué)組成影響到材料的傳導(dǎo)性能
必須建立起質(zhì)點(diǎn)與材料化學(xué)組成之間的關(guān)系
②材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)也影響到材料的傳導(dǎo)性能
必須建立起質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑與空間結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系
我們的研究
基于微觀（質(zhì)點(diǎn)碰撞模型）的傳熱的數(shù)學(xué)描述：
每個(gè)質(zhì)點(diǎn)具有不同的溫度，發(fā)生碰撞的彼此又是隨機(jī)的，無(wú)法對(duì)溫度差進(jìn)行定量表述；
質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向和路徑具有不確定性，難以建立數(shù)學(xué)坐標(biāo)系。
基于統(tǒng)計(jì)和宏觀的傳熱的數(shù)學(xué)描述
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傅立葉定律 q=-k*dT/dx
dT：統(tǒng)計(jì)值，是傳熱的驅(qū)動(dòng)力所在。
dx：
數(shù)學(xué)上：dx在尺度上可以小到與質(zhì)點(diǎn)自由行程有相同的數(shù)量級(jí)。
物理上：必須是大量質(zhì)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)的宏觀效果之體現(xiàn)，dx的尺度必須遠(yuǎn)大于質(zhì)點(diǎn)的自由行程。
對(duì)傅立葉定律的認(rèn)識(shí)
傳導(dǎo)系數(shù)k解決了質(zhì)點(diǎn)碰撞模型無(wú)法解釋的材料不同而引起的傳導(dǎo)性能的差異
該定律無(wú)法成為具有普遍意義的物理定律，而只是實(shí)驗(yàn)定律。
傳導(dǎo)系數(shù)k
一般表現(xiàn)為溫度T、位置x和材料β的函數(shù)，其數(shù)學(xué)形式為，k=f(T,x,β).
傳導(dǎo)的科學(xué)問(wèn)題
傳導(dǎo)的科學(xué)問(wèn)題均因傳導(dǎo)系數(shù)而引發(fā)：對(duì)于已知化學(xué)組成且材質(zhì)均勻的材料而言，傳導(dǎo)系數(shù)的函數(shù)形式為，如何確定它的函數(shù)形式屬于物理學(xué)范疇。如果無(wú)法確定，則傅立葉定律的應(yīng)用受到溫度范圍的限制。相同溫度且材質(zhì)均勻的材料的傳導(dǎo)系數(shù)是不同材料的函數(shù)，形式為，確定其具體數(shù)據(jù)時(shí)引出技術(shù)問(wèn)題（材料的熱物性參數(shù)測(cè)量）。對(duì)于內(nèi)部均勻的材料，即使已經(jīng)確定了傳導(dǎo)系數(shù)的函數(shù)形式，實(shí)際應(yīng)用中仍存在如下數(shù)學(xué)問(wèn)題：
維數(shù)：一維→三位（數(shù)學(xué)拓展）過(guò)程：穩(wěn)態(tài)→瞬態(tài)（特殊數(shù)學(xué)解）
邊界：能否構(gòu)成封閉解

對(duì)流傳熱的物理機(jī)制及其科學(xué)問(wèn)題
彼此接觸的物體，在其界面上有兩種情況：
無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)：只需考慮接觸界面的影響。
有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)：
發(fā)生在界面上：既要考慮界面接觸的影響，也要考慮界面摩擦的影響。
未發(fā)生在界面上：僅需考慮易變形一側(cè)的物質(zhì)。
研究方式
只關(guān)心這兩種物體之間的能量轉(zhuǎn)移，顯然這種能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在縱向方向上，是一維現(xiàn)象，能量轉(zhuǎn)移的宏觀數(shù)學(xué)描述被表征為，
能量轉(zhuǎn)移的描述：(溫度差引發(fā)傳熱的驅(qū)動(dòng)力表現(xiàn)在界面一側(cè)的關(guān)于易變形的物體內(nèi)描述的是宏觀行為對(duì)流傳熱中的科學(xué)問(wèn)題換熱系數(shù)h的確定)
觀察對(duì)流現(xiàn)象，可進(jìn)行如下的分區(qū)：
橫向：層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)、充分湍流區(qū)
縱向：層流段、過(guò)渡段、湍流段、勢(shì)流段
對(duì)于對(duì)流所涉及的兩種物質(zhì)，我們只是關(guān)心其中的一種，在這種物質(zhì)中，增加了成團(tuán)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。因此對(duì)流傳熱的物理機(jī)制表現(xiàn)為：
質(zhì)點(diǎn)水平上的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)（質(zhì)點(diǎn)碰撞模型仍然有效）；
成團(tuán)質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)——可以用流體力學(xué)的方式來(lái)研究，最為關(guān)心的是其中的粘性。
對(duì)流傳熱的科學(xué)問(wèn)題
對(duì)流傳熱系數(shù)h之?dāng)?shù)值的大小，與溫度之間之幾何空間中遇到的所有物理因素有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系表述為，
其中的表面狀態(tài)和傳輸特性是物質(zhì)的屬性，因此需要研究的科學(xué)問(wèn)題完全由流體的運(yùn)動(dòng)特性所引發(fā)，敘述如下：
1.橫向上的流動(dòng)現(xiàn)象及其分類(lèi)（流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)）
2.縱向上流動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)表述（微分方程、積分方程）
3.邊界問(wèn)題的處理
4.特殊的數(shù)學(xué)求解方法
5.封閉條件的構(gòu)造：模型或假設(shè)
雖然可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定對(duì)流傳熱系數(shù)h，但注意到在橫向上，由于流動(dòng)特性的變化。因此，希望通過(guò)流動(dòng)的研究，建立函數(shù)的具體形式。

輻射傳熱的物理機(jī)制及其科學(xué)問(wèn)題
輻射傳熱的特點(diǎn)：
被釋放的能量只能在表面處才能逸離，因此輻射是一種表面現(xiàn)象。
逸離方向是隨機(jī)的，因此輻射傳熱向周?chē)蟹较蜻M(jìn)行，這體現(xiàn)為輻射的方向分布；如果逸離方向是均勻的，即所有方向上的輻射強(qiáng)度相等，則被稱(chēng)為漫發(fā)射。
在不同的波長(zhǎng)上觀察輻射能量，具有不同的分布，稱(chēng)為輻射的光譜分布。輻射傳熱的物理機(jī)制：構(gòu)成物質(zhì)的許多電子因振蕩和躍遷而釋放能量，這種釋放使能量離開(kāi)表面而進(jìn)入周?chē)臻g。
輻射傳熱的科學(xué)問(wèn)題
兩個(gè)表面之間發(fā)生的輻射傳熱（能量轉(zhuǎn)移）的描述：
科學(xué)問(wèn)題：
積分號(hào)內(nèi)完全是數(shù)學(xué)問(wèn)題——空間關(guān)系確定后，完全是數(shù)學(xué)問(wèn)題。
輻射強(qiáng)度通常與材料有關(guān)——值得關(guān)注的物理問(wèn)題，普朗克定律僅解決了黑體。
普朗克定律之后，如何由輻射強(qiáng)度的測(cè)量計(jì)算溫度？
本章小結(jié)
1.傳熱存在著三種模式；
2.在三種傳熱模式中，傳導(dǎo)模式涉及到尺度問(wèn)題；
3.傳導(dǎo)涉及到材料的內(nèi)部，輻射涉及到材料的表面，均屬于物理學(xué)范疇；
4.對(duì)流涉及到表面與運(yùn)動(dòng)流體，屬于流體力學(xué)范疇；
5.在求解傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱問(wèn)題時(shí)，都將會(huì)遇到特殊的數(shù)學(xué)處理方法；
6.對(duì)流問(wèn)題不僅涉及到現(xiàn)象分類(lèi)，而且涉及到物理模型的建立；
7.輻射傳熱中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，是如何根據(jù)輻射測(cè)量數(shù)據(jù)反演溫度。
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