热传递与对流课件.pptVIP

*************************************有效度-传热单元数法（ε-NTU）1方法介绍ε-NTU法是解决未知出口温度换热器问题的理想方法。有效度ε定义为实际传热量与理论最大传热量之比；传热单元数NTU反映换热器的热尺寸。2基本参数热容量比C*=Cmin/Cmax，其中Cmin和Cmax分别是较小和较大流体热容量流率；NTU=UA/Cmin，表示换热器相对大小。3计算步骤确定流体热容量流率和较小值Cmin；计算NTU；根据换热器类型和流动排列，从相应关联式或图表确定有效度ε；计算实际传热量Q=ε·Cmin·(Th,i-Tc,i)；最后求出出口温度。ε-NTU法的主要优势在于处理仅知道入口温度而未知出口温度的换热器问题时，无需迭代计算。它广泛应用于换热器性能评估、系统模拟和参数优化研究。对于常见的换热器类型，有标准的ε-NTU关系式，如逆流换热器：ε=(1-exp[-NTU(1-C*)])/(1-C*·exp[-NTU(1-C*)])；当C*=1时，ε=NTU/(1+NTU)。热管理在电子设备中的应用散热挑战现代电子设备面临严峻散热挑战。处理器热流密度可达100-200W/cm2，若不有效散热，芯片温度可迅速升高。高温会加速电子元件老化，降低性能稳定性，缩短寿命，甚至造成永久损坏。同时，散热系统必须在空间和噪音限制下运行，尤其对便携设备而言。散热管理已成为限制计算能力提升的关键瓶颈之一。被动散热技术被动散热技术无需外部能量输入。散热片通过增大表面积增强自然对流和辐射散热；导热材料（如导热硅胶、相变材料）改善热传导路径；热管利用工质相变实现高效热传递。现代技术包括石墨烯散热膜（高面内导热率）、微通道散热器（增加比表面积）、相变材料（热缓冲）等。被动散热技术可靠无噪音，但散热能力有限。主动散热技术主动散热技术需要能量输入，但散热能力强。风冷系统使用风扇强制空气流动，可分为侧吹风、下压风和风洞式；液冷系统使用液体作为热传递介质，散热效率高，类型包括一体式水冷、定制水冷回路；热电制冷利用珀尔帖效应实现主动制冷；相变循环制冷系统（如氟利昂制冷）应用于数据中心等大型系统。微尺度传热微通道传热微通道是指特征尺寸在10-200μm范围的流体通道，其超大的比表面积和极短的传热距离使得传热效率极高。微通道内的流体行为与常规尺度有显著不同，边界层影响主导，表面张力和黏性作用增强，而惯性和重力作用减弱。微通道内的热传递特性受通道几何形状、表面性质和工作流体特性的影响。微通道热传递的应用非常广泛，包括集成电路散热、微型热交换器、生物医学设备、航空航天热管理系统等。微通道散热器可承受极高的热流密度（1000W/cm2），成为处理高性能芯片散热的关键技术。微通道制造通常采用微机械加工、光刻技术或3D打印等微加工技术。纳米流体纳米流体是指在传统基础流体（如水、乙二醇、油等）中分散纳米级固体颗粒（如金属、金属氧化物、碳纳米管等）形成的稳定悬浮液。纳米流体具有显著增强的导热性能，甚至低浓度纳米颗粒也能显著提高流体的导热系数和对流换热系数。纳米流体热传递增强机制包括：纳米颗粒的高导热率；布朗运动增强分子间热量交换；纳米颗粒在液体中形成导热网络；液-固界面处的纳恩结构层等。纳米流体应用于散热系统可减少装置体积，节约泵功率，提高系统效率。主要挑战在于保持纳米颗粒的稳定分散性和防止长期使用中的沉淀和聚集。数值模拟在传热分析中的应用CFD基础计算流体动力学(CFD)是通过数值方法求解流体流动和传热控制方程的技术。基本控制方程包括连续性方程（质量守恒）、动量方程（牛顿第二定律）和能量方程（能量守恒）。CFD可以模拟复杂几何形状和边界条件下的流动和传热问题，获得难以通过实验测量的详细流场和温度场信息。常用软件商业CFD软件包括ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics、STAR-CCM+等，它们提供友好的用户界面和强大的求解器。开源软件如OpenFOAM虽然学习曲线陡峭，但提供了极高的灵活性和可定制性。这些软件能够处理从简单的热传导到复杂的多相流、燃烧和辐射等各类传热问题。关键技术CFD模拟的关键步骤包括几何建模、网格划分、物理模型选择、边界条件设置、求解和后处理。其中网格质量对计算精度和效率影响显著；湍流模型的选择（如k-ε模型、k-ω模型、大涡模拟等）对复杂流动问题尤为重要；多相流和相变传热需要特殊的数值处理技术。实验方法与测量技术温度测量温度是传热研究中最基本的参数，测量方法包括接触式和非接触式。接触式传感器如热电偶（范围广，-200~1800℃）、热电阻（