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传热学杨世铭，陶文铨第二章
一、传热学概述
传热学是研究热量在不同介质之间传递和转化的科学。其核心内容包括热传导、对流和辐射三种传热方式的原理和应用。通过对这些传热机制的理解，可以有效地设计和优化各种工程系统，如热交换器、绝热材料和加热冷却系统等。本章将详细探讨这些基本传热过程的理论基础及其应用。
二、热传导
热传导基本理论
热传导是指热量通过物质内部的分子或原子间的相互作用传递的过程。在固体物质中，热量由高温区域通过分子震动和自由电子的运动传递到低温区域。热传导的强弱取决于物质的热导率，热导率越高，热传导能力越强。
热传导的数学描述可以用傅里叶定律表示，其形式为：
q=?k
?x
?T
其中，
q为单位面积上的热流量，
k为热导率，
?x
?T
为温度梯度。
一维稳态热传导
对于一维稳态热传导问题，即热流量在时间上不发生变化的情况，热传导方程可以简化为：
dx
2
d
2
T
=0
解决这一方程可得温度分布的线性关系。具体的边界条件将决定最终的温度分布。
多维热传导
对于复杂的几何形状或非均匀介质中的热传导问题，需要考虑多维热传导方程。二维或三维热传导方程的形式为：
?x
2
?
2
T
+
?y
2
?
2
T
+
?z
2
?
2
T
=0
解决这些方程通常需要采用数值方法，如有限差分法或有限元法。
三、对流传热
对流基本概念
对流是指流体中热量通过流体的运动从一个地方传递到另一个地方的过程。对流可以分为自然对流和强制对流。自然对流由流体的密度差异引起，而强制对流则是通过外部机械装置（如风扇或泵）强制产生流动。
对流传热的描述通常通过对流换热系数来表示，热流量的公式为：
q=h?A?ΔT
其中，
h为对流换热系数，
A为换热面积，
ΔT为流体与固体之间的温差。
自然对流
自然对流的分析通常涉及到流体的温度分布和速度场的建立。由于流体的温度差异引起的密度变化会导致流体的自然对流。雷诺数和努塞尔数是评估自然对流效应的重要无量纲参数。
强制对流
强制对流的分析需要考虑流体的流动特性，如流速和流动模式。常用的模型包括层流和湍流模型。对于强制对流问题，常见的解决方法包括实验数据的回归和理论公式的应用，如平板表面的对流换热计算公式。
四、辐射传热
辐射基本理论
辐射传热是通过电磁波在空中传递热量的过程。所有物体只要温度高于绝对零度，都会以电磁辐射的形式发出热量。辐射的强度与物体的温度、表面性质及波长等因素有关。
辐射传热的基本定律包括斯特藩玻尔兹曼定律和维恩位移定律。斯特藩玻尔兹曼定律表明，物体的总辐射功率与其绝对温度的四次方成正比：
E=σT
4
其中，
E为辐射功率，
σ为斯特藩玻尔兹曼常数，
T为绝对温度。
表面辐射
表面辐射涉及到辐射的发射、反射和吸收特性。物体的辐射能力通过发射率来表征。发射率是一个介于0和1之间的量，表示物体相对于黑体的辐射能力。
对于多物体系统，辐射传热还需要考虑辐射交换，通常通过视角因子来计算。视角因子描述了一个表面辐射能量传递到另一个表面的能力。
辐射换热计算
辐射换热的计算较为复杂，通常需要使用辐射交换网络模型或计算机模拟方法。对于简单的几何形状，可以使用辐射换热的经验公式进行计算。
五、综合传热
传热的综合分析
在实际应用中，传热过程往往涉及多种传热机制的综合影响。例如，热交换器中通常会同时发生热传导、对流和辐射传热。对于这种情况，需要将各个传热过程的影响综合考虑，以设计高效的热交换系统。
传热强化技术
传热强化技术旨在提高传热效率。常见的强化技术包括增加表面积、引入扰流装置、优化流体流动模式等。例如，采用翅片、增大对流系数、优化热交换器的结构设计等方法可以有效提高热交换效率。
传热计算与模拟
现代传热学中，计算和模拟工具的应用变得越来越普及。使用计算流体力学（CFD）等数值模拟方法，可以对复杂的传热过程进行详细的分析和优化设计。这些工具能够提供精确的热场分布、流体流动状态等信息，支持工程实践中的决策和优化。
六、结论
传热学作为热能科学的基础学科，涵盖了热传导、对流和辐射等多种传热机制。本章对这些传热机制的基本理论和应用进行了详细的探讨。理解这些基本原理，对于设计高效的热交换系统、优化能源利用和改善工程系统性能具有重要意义。未来的研究将继续深化对传热过程的理解，并推动新技术的发展，以应对不断变化的工程需求和环境挑战。
第二章传热学基础（续）
七、传热学中的实验方法
实验方法概述
在传热学中，实验方法用于验证理论模型、测量传热参数以及研究实际应用中的传热行为。常用的实验方法包括热流计法、温度分布测量法以及流体流动观测等。这些方法能够提供实际系统中的热传导、对流和辐射数据，为理论研究和工程应用提供支持。
热流计法
热流计法是一种用于测量热流量的实验方法。常见的热流计包括热流计
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