工程傳熱學(xué)

內(nèi)容概要

《工程傳熱學(xué)——基礎(chǔ)理論與專題應(yīng)用》熱量傳遞是工程技術(shù)領(lǐng)域常見現(xiàn)象,傳熱學(xué)因此成為許多工程類學(xué)科專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程.本書是在大學(xué)本科傳熱學(xué)基礎(chǔ)上的深入與拓展,除介紹高等傳熱學(xué)的主要內(nèi)容外,重點(diǎn)對(duì)某些代表性的傳熱學(xué)的工程應(yīng)用進(jìn)行分析討論. 全書共分為8 章, 前3 章為基礎(chǔ)理論部分, 內(nèi)容涉及導(dǎo)熱問題分析求解的基本方法,對(duì)流換熱過程的特點(diǎn)與規(guī)律性,以及輻射傳熱原理與計(jì)算方法.第4~8 章為傳熱學(xué)的專題應(yīng)用部分,包括建筑環(huán)境傳熱與建筑節(jié)能技術(shù),相變傳熱與蓄熱,航天器熱控制基礎(chǔ)知識(shí),多孔介質(zhì)中的傳熱與傳質(zhì),以及微/納米尺度下的傳熱問題等內(nèi)容.整體編排上既考慮在本科基礎(chǔ)上專業(yè)知識(shí)面的拓寬,同時(shí)也盡量兼顧到對(duì)學(xué)科前沿技術(shù)理論的認(rèn)知.

作者簡(jiǎn)介

苑中顯，北京工業(yè)大學(xué)教授。1997西安交通大學(xué)博士畢業(yè)。 2001－2002在美國Southern Illinois University Edwardsville 任客座教授，美國ASME會(huì)員。講授《高等傳熱學(xué)》、《強(qiáng)化傳熱》、《相變傳熱》等研究生課程和《傳熱學(xué)》本科課程。在《Int. J. Numerical Methods in Fluids》、《Int. J. Numerical Methods for Heat and Fluid Flow》、《Int. J. Heat and Mass Transfer》、《Int. Comm. in Heat and Mass Transfer》、《Comm. in Nonlinear Science and Numerical Simulation》、《Heat Transfer Engineering》、《J. of Thermal Science》、《Science in China, Series E》、《中國科學(xué)》、《工程熱物理學(xué)報(bào)》、《中國冶金》、《熱科學(xué)與技術(shù)》等國內(nèi)外刊物發(fā)表論文40余篇。是《Journal of Enhanced Heat Transfer》、《Int. J. Numerical Methods for Heat and Fluid Flow》、《Experimental Thermal and Fluid Science》、《化工學(xué)報(bào)》及《西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)》等審稿人。主持和參加“973項(xiàng)目”、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、教育部留學(xué)回國人員基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。曾獲北工大優(yōu)秀碩士論文導(dǎo)師獎(jiǎng)；作為副主編參編北工大教材《室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)》獲二等獎(jiǎng)。

書籍目錄

序前言第1章 熱傳導(dǎo)理論分析1.1 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)1.1.1 傅里葉定律1.1.2 導(dǎo)熱微分方程1.1.3 不同正交坐標(biāo)系中的熱傳導(dǎo)方程1.1.4 邊界條件1.1.5 齊次與非齊次問題1.2 分離變量法1.2.1 直角坐標(biāo)系中的分離變量法1.2.2 一維問題的分離變量法1.2.3 半無限大物體的導(dǎo)熱1.2.4 乘積解1.2.5 圓柱坐標(biāo)系中的分離變量法1.3 格林函數(shù)法1.3.1 求解非齊次非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題的格林函數(shù)1.3.2 格林函數(shù)的確定1.3.3 格林函數(shù)法在直角坐標(biāo)系中的應(yīng)用1.4 杜哈美爾定理法1.4.1 杜哈美爾定理的表述1.4.2 杜哈美爾定理的應(yīng)用參考文獻(xiàn)第2章 對(duì)流換熱分析2.1 對(duì)流換熱微分方程2.1.1 連續(xù)性方程2.1.2 動(dòng)量方程2.1.3 能量方程2.1.4 紊流換熱方程2.2 邊界層方程2.2.1 二維直角坐標(biāo)下的層流邊界層方程2.2.2 邊界層方程的數(shù)學(xué)和物理性質(zhì)2.2.3 圓管內(nèi)的邊界層方程2.3 非耦合外部層流邊界層換熱2.3.1 縱向繞流平壁換熱2.3.2 縱向繞流楔形物體換熱2.3.3 軸對(duì)稱流動(dòng)滯止區(qū)域換熱2.4 通道內(nèi)非耦合層流換熱2.4.1 流動(dòng)起始段和充分發(fā)展段2.4.2 熱起始段和充分發(fā)展段2.4.3 圓管內(nèi)層流充分發(fā)展段的換熱2.4.4 非圓形通道內(nèi)層流充分發(fā)展段的換熱2.4.5 圓管起始段的換熱2.5 高速流動(dòng)換熱與自然對(duì)流換熱2.5.1 考慮黏性耗散的泊肅葉流動(dòng)2.5.2 自然對(duì)流換熱邊界層方程2.5.3 豎平壁上常物性層流自然對(duì)流換熱的相似解參考文獻(xiàn)第3章 輻射傳熱分析與計(jì)算3.1 黑體輻射3.1.1 黑體的基本特性3.1.2 黑體總輻射力——Stefan-Boltzmann定律3.1.3 黑體的方向輻射力——Lambert余弦定律3.1.4 黑體輻射的光譜分布——Planck定律3.1.5 黑體輻射的最大光譜強(qiáng)度的波長(zhǎng)——Wien位移定律3.2 非黑表面輻射性質(zhì)的定義3.2.1 發(fā)射率3.2.2 吸收率3.2.3 反射率3.2.4 反射率、吸收率和發(fā)射率之間的關(guān)系3.3 溫度均勻的黑體表面間的輻射換熱3.3.1 兩個(gè)微元黑表面間的輻射換熱3.3.2 角系數(shù)及其計(jì)算方法3.3.3 由宏觀黑表面構(gòu)成的封閉腔內(nèi)的輻射換熱3.4 由漫-灰表面構(gòu)成的封閉腔內(nèi)的輻射換熱3.4.1 由有限大面積構(gòu)成的封閉腔3.4.2 由無限小面積構(gòu)成的封閉腔參考文獻(xiàn)第4章 建筑環(huán)境傳熱4.1 建筑環(huán)境參數(shù)4.1.1 室內(nèi)參數(shù)4.1.2 室外參數(shù)4.2 建筑穩(wěn)態(tài)傳熱4.2.1 維護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱4.2.2 附加耗熱量4.2.3 門窗縫隙冷風(fēng)滲透耗熱量4.2.4 室內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)4.3 建筑瞬態(tài)傳熱4.3.1 土壤內(nèi)的溫度波動(dòng)4.3.2 墻體的溫度波動(dòng)4.3.3 蓄熱系數(shù)與熱惰性指標(biāo)4.3.4 夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算簡(jiǎn)介4.4 建筑節(jié)能技術(shù)概述4.4.1 保溫隔熱技術(shù)4.4.2 熱泵技術(shù)4.4.3 蓄冷技術(shù)4.4.4 熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)4.4.5 太陽能采暖與空調(diào)參考文獻(xiàn)第5章 相變傳熱與蓄熱5.1 概述5.2 沸騰傳熱5.2.1 沸騰工況5.2.2 沸騰成核理論5.2.3 池內(nèi)沸騰5.2.4 池沸騰的臨界熱流密度5.2.5 流動(dòng)沸騰5.3 凝結(jié)傳熱5.3.1 凝結(jié)成核理論5.3.2 單一工質(zhì)的膜狀凝結(jié)5.3.3 蒸氣混合物的膜狀凝結(jié)5.3.4 珠狀凝結(jié)簡(jiǎn)介5.4 凝固和熔解傳熱5.4.1 液體的凝固5.4.2 固體的熔解——給定壁面溫度5.4.3 固體的熔解——給定壁面熱流密度5.5 萘升華及其傳熱應(yīng)用5.5.1 萘的物理性質(zhì)5.5.2 用萘升華模擬對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)原理5.5.3 幾個(gè)相關(guān)問題的討論5.6 蓄熱技術(shù)簡(jiǎn)介5.6.1 顯熱蓄熱5.6.2 相變蓄熱5.6.3 冰蓄冷技術(shù)參考文獻(xiàn)第6章 航天器熱控制基礎(chǔ)6.1 航天器熱控制概述6.1.1 航天器的分類6.1.2 航天器軌道6.1.3 航天器熱控制內(nèi)容6.1.4 航天器熱控制的任務(wù)6.2 空間熱環(huán)境6.2.1 地球軌道的空間熱環(huán)境6.2.2 地球軌道的空間外熱流6.2.3 月球的熱環(huán)境6.2.4 發(fā)射和上升階段的熱環(huán)境6.3 航天器熱分析計(jì)算6.3.1 航天器的空間熱平衡6.3.2 航天器溫度計(jì)算6.4 被動(dòng)熱控技術(shù)6.4.1 熱控涂層6.4.2 多層隔熱組件6.4.3 熱管6.4.4 相變材料熱控6.5 主動(dòng)熱控技術(shù)6.5.1 熱控百葉窗6.5.2 熱開關(guān)6.5.3 熱二極管6.5.4 流體循環(huán)熱控系統(tǒng)6.5.5 電加熱控制技術(shù)6.5.6 航天器中的低溫制冷方法6.6 空間熱輻射器6.6.1 熱管輻射器6.6.2 肋片管循環(huán)式輻射器6.6.3 可展開式輻射器6.6.4 液滴式輻射器參考文獻(xiàn)第7章 多孔介質(zhì)中的傳熱與傳質(zhì)7.1 多孔介質(zhì)的孔隙度與滲透率7.1.1 多孔介質(zhì)的基本概念7.1.2 孔隙度7.1.3 滲透率與達(dá)西滲流模型7.2 多孔介質(zhì)中流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型7.2.1 達(dá)西定律7.2.2 達(dá)西定律的修正——Brinkman方程7.2.3 能量方程7.3 多孔介質(zhì)傳熱的工程應(yīng)用7.3.1 沿水平板強(qiáng)制對(duì)流換熱的比較7.3.2 土壤內(nèi)的熱濕遷移7.3.3 生物組織中的熱質(zhì)傳輸7.4 分形理論及其應(yīng)用簡(jiǎn)介7.4.1 分形維數(shù)的概念7.4.2 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的分形描述7.4.3 多孔介質(zhì)滲透率的分形研究參考文獻(xiàn)第8章 微/納米尺度傳熱簡(jiǎn)介8.1 微尺度傳熱的一些典型問題8.2 微尺度傳熱的分析方法8.2.1 玻爾茲曼輸運(yùn)理論8.2.2 分子動(dòng)力學(xué)理論8.2.3 直接蒙特卡羅模擬方法8.3 微/納米介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)8.3.1 傅里葉定律的適用性問題8.3.2 熱傳導(dǎo)的邊界散射效應(yīng)8.3.3 導(dǎo)熱率的尺寸效應(yīng)8.3.4 薄膜比熱容的尺寸效應(yīng)8.3.5 微/納尺度導(dǎo)熱的非傅里葉效應(yīng)8.4 微尺度對(duì)流傳熱8.4.1 微槽內(nèi)的單相對(duì)流傳熱8.4.2 微尺度下氣體可壓縮性及稀薄效應(yīng)8.4.3 關(guān)于邊界速度滑移與溫度躍變參考文獻(xiàn)附錄 高斯誤差函數(shù)及其性質(zhì)

章節(jié)摘錄

第1章 熱傳導(dǎo)理論分析導(dǎo)熱是依靠物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，包括原子、分子、電子的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，以及晶格的振動(dòng)等來傳遞熱量的物理現(xiàn)象，它是自然界中熱量傳遞的基本方式之一.導(dǎo)熱可發(fā)生在固體、液體或氣體中，與物體有沒有宏觀運(yùn)動(dòng)無關(guān).導(dǎo)熱問題往往歸結(jié)為求解物體內(nèi)部的溫度場(chǎng)以及相應(yīng)的熱流分布.1.1 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)1.1.1 傅里葉定律傅里葉（Fourier）定律是對(duì)熱量以傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳遞時(shí)的基本規(guī)律的描述，它表述為：物體在導(dǎo)熱過程中其內(nèi)部某處的熱流密度q與該處的溫度降度T/.n...成正比.比例系數(shù)k稱為導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（mK），它是材料的基本熱物性之一.·溫度降度是一個(gè)矢量，它表示該處溫度變化率的最大值，但指向是溫度降低的方向.傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為.T.q（x，y，z，t）=.k（W/m2） （1-1）.n傅里葉定律將某一點(diǎn)的熱流密度和其溫度變化率聯(lián)系起來，一旦溫度場(chǎng)求得，熱流密度就可確定.另外，從傅里葉定律也可了解導(dǎo)熱系數(shù)k的物理含義，其含義是：?jiǎn)挝缓穸鹊钠桨宀牧?，?dāng)它兩側(cè)溫差保持1.C時(shí)，穩(wěn)態(tài)下所能傳遞的熱流密度值.事實(shí)上，根據(jù)這種原理所設(shè)計(jì)的測(cè)試方法，正是實(shí)驗(yàn)測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的最常用方法.不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，常溫下空氣的k值約為0.024W/（mK），水的k值約為0.6W/（mK），純銅的k值約為398W/（mK）.···1.1.2 導(dǎo)熱微分方程處于靜止?fàn)顟B(tài)的各向同性的均勻物體，內(nèi)部含有熱源，單位時(shí)間單位體積內(nèi)的產(chǎn)熱量用g（.r，t）表示，則描述其內(nèi)部各點(diǎn)溫度隨時(shí)間t變化規(guī)律的熱傳導(dǎo)微分方程為. [k.T（.r，t）]+g（.r，t）=ρcp.T（.r，t）（1-2）.t式中，ρ代表材料密度，cp為材料的定壓比熱.導(dǎo)熱微分方程是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在導(dǎo)熱問題中的具體體現(xiàn).它所代表的含義是：物體內(nèi)部在單位時(shí)間內(nèi)傳入和傳出某微元體的熱量之差，加上微元體自身的產(chǎn)熱量，等于其內(nèi)能隨時(shí)間的變化率.導(dǎo)熱微分方程在不同情況下可以得到簡(jiǎn)化，下面給出一些常用的簡(jiǎn)化形式.當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)k為常數(shù)，也即物體是各向同性時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)k可以提到梯度算子符號(hào)外，方程化為11 .T（.r，t）. 2T（.r，t）+kg（.r，t）=α .t （1-3）式中，α=k/（ρcp），稱為材料的導(dǎo)溫系數(shù)，單位m2/s. k 為常數(shù)， 又無內(nèi)熱源時(shí)， 方程化為傅里葉方程2T（.r，t）=1 .T（.r，t）（1-4）. α .t穩(wěn)態(tài)條件下，溫度場(chǎng)與時(shí)間無關(guān)，式（1-4）進(jìn)一步簡(jiǎn)化成Laplace方程. 2T（.r，t）=0（1-5）如果所涉及的問題是含有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，則式（1-3）轉(zhuǎn)化成泊松方程1. 2T（.r，t）+kg（.r，t）=0（1-6）1.1.3 不同正交坐標(biāo)系中的熱傳導(dǎo)方程現(xiàn)在進(jìn)一步討論在不同正交坐標(biāo)系中熱傳導(dǎo)方程的展開形式.在直角坐標(biāo)系中，k=.常數(shù)和k ＝常數(shù)時(shí)熱傳導(dǎo)方程分別為. .k.T . + . .k.T . + . .k.T . +g（. .T （1-7）r，t）=ρcp.x .x .y .y .z .z .t .2T.2T.2T 11 .T+++ g = （1-8）.x2 .y2 .z2 k α.t在圓柱坐標(biāo)系內(nèi)， k =.常數(shù)和k＝常數(shù)時(shí)方程的形式為1...T.1...T....T..Tkr + k + k + g = ρcp （1-9）r.r .r r2 .φ .φ .z .z .t 1 . . .T . 1 .2T.2T 11 .Tr + ++ g = （1-10）r.r .r r2 .φ2 .z2 k α.t工程上有時(shí)會(huì)遇到另外兩類圓柱坐標(biāo)系中的特殊問題，一類稱為軸對(duì)稱問題，溫度場(chǎng)不隨軸向角變化，.T/.φ=0，則方程化為1...T..2T 11 .Tr ++ g = （1-11）r .r .r .z2 kα.t第二類特殊問題稱為極坐標(biāo)問題，溫度場(chǎng)沿軸向無變化，.T/.z=0，方程化為1...T.1.2T 11 .Tr ++ g = （1-12）r.r .r r2 .φ2 k α.t1.1 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)3··常物性物體在球坐標(biāo)系中的熱傳導(dǎo)微分方程式為1 . . r 2 .T . +1 .2T +1 . .sin θ.T . +1 g =1 .T （1-13） r2 .r .r r2 sin2 θ .φ2 r2 sin θ.θ .θ kα.t1.1.4 邊界條件熱傳導(dǎo)微分方程式是描述物體內(nèi)部導(dǎo)熱共性規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，要能夠求解還必須配合以對(duì)問題的特殊性進(jìn)行描述的內(nèi)容，這就是“邊界條件”.邊界條件的物理含義是指，在時(shí)刻大于零之后，作用在求解區(qū)域邊界上的、從而引起區(qū)域內(nèi)部熱響應(yīng)的邊界熱狀況.邊界條件劃分為三類，分別表述被求解的區(qū)域邊界上溫度分布情況、熱流密度分布情況以及邊界與相鄰流體之間的對(duì)流換熱情況.第一類邊界條件是已知邊界處的溫度分布.設(shè)被求解區(qū)域有m個(gè)邊界，在邊界Si處（i=1，2，，m），已知的溫度分布表示為···T=fi（.r，t）（1-14）若邊界上的溫度為零，即在邊界Si處，有T = 0 （1-15）則稱為該邊界有“第一類齊次邊界條件”.此外，邊界溫度保持恒定溫度T0的邊界也滿足第一類齊次邊界條件，只不過此時(shí)被求解的溫度場(chǎng)需要以對(duì)T0的過余溫度來表示.第二類邊界條件是已知邊界面上溫度的法向?qū)?shù).由于熱流密度與法向?qū)?shù)直接相關(guān)，所以第二類邊界條件就相當(dāng)于給定了邊界上熱流密度的分布情況.在邊界面Si處第二類邊界條件的表達(dá)式為.T=fi（.r，t）（1-16）.ni這里的法向?qū)?shù)的取向以求解區(qū)域向外為正，向內(nèi)為負(fù)；相應(yīng)地，從邊界處流入求解區(qū)域的熱流為正，流出為負(fù).如果某個(gè)邊界處的導(dǎo)數(shù)為零，即.T= 0 （1-17）.ni則稱為“第二類齊次邊界條件”，即通常所說的絕熱邊界條件.第三類邊界條件是邊界上的溫度和它的法向?qū)?shù)的線性組合等于某一已知函數(shù)， 即.Tki+hiT=fi（.r，t）（1-18）.ni這里ki和hi都是已知的常數(shù)，且二者不能同時(shí)為零.式（1-18）本質(zhì)上反映了溫度隨時(shí)間變化的流體與固體邊界之間的對(duì)流換熱關(guān)系，流體通過對(duì)流方式傳給邊界的熱量邊界再以導(dǎo)熱的方式傳給物體內(nèi)部.如果.Tki+hiT=0（1-19）.ni則稱為“第三類齊次邊界條件”，相當(dāng)于壁面以對(duì)流形式向溫度為零的流體環(huán)境放熱.對(duì)于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，除了需要知道邊界條件之外，還需要知道“初始條件”.初始條件是指在問題開始算起的零時(shí)刻，整個(gè)求解區(qū)域內(nèi)的溫度分布情況，也即T（.r，t=0）=f（.r）（1-20）……

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