專業課大綱:西安交通大學傳熱學教學大綱

2020-12-06 新東方網

  說明:這個大綱是針對第三版的,有些內容在第四版中已不再是重點,甚至被刪去。對照課本看就可以了。

  一、課程的性質、目的及任務

  傳熱學是研究熱量傳遞規律及其應用的工程技術學科。是我校能源與動力工程學院、化學工程學院各有關專業的一門必修的主幹技術基礎課程。本課程不僅為學生學習有關的工程技術課程提供基本的理論知識,而且也為學生以後從事熱能的合理利用、熱工設備效能的提高及換熱器的設計、開發研究等方面的工作打下必要的基礎。

  通過本課程的學習,應使學生獲得比較寬廣和鞏固的熱量傳遞規律的基礎知識,具備分析工程傳熱問題的基本能力,掌握計算工程傳熱問題的基本方法,並具有相應的計算能力(包括具有初步上機計算的能力)及一定的實驗技能。

  二、教學基本要求

  要求學生熟練掌握導熱、對流和熱輻射三種熱量傳遞方式的物理概念、特點和基本規律,並能綜合應用這些基礎知識正確分析工程實際中的傳熱問題。掌握計算各類熱量傳遞過程的基本方法,能對典型的工程傳熱問題進行計算,能對間壁式換熱器進行原理性的熱力設計。了解強化或削弱熱量傳遞過程的方法,並能提出工程實際中切實可行的強化或削弱傳熱的措施。

  三、教學內容及要求

  (一)緒論

  教學內容:傳熱學的研究內容和方法;傳熱學的研究對象及其應用;熱量傳遞的基本方式:導熱、對流和熱輻射;熱量傳遞的計算公式;傳熱過程及熱阻概念。

  教學要求:了解傳熱學與工程熱力學在研究內容和方法上的異同。認清傳熱學的研究對象及其在工程和科學技術中的應用,本課程是一門研究熱量傳遞基本規律及其應用的技術基礎課。能量守恆定律是一個基本定律,在傳熱學中應用甚廣,應作為主要線索貫穿於本門課程的始終。掌握熱量傳遞的基本方式:導熱、對流和熱輻射的概念和所傳遞熱量的計算公式。認識到工程實際問題的熱量傳遞過程往往不是單一的方式而是多種形式的組合,以加深傳熱過程的概念及傳熱方程,為後面依次討論導熱、對流換熱和輻射換熱提供整體概念。初步理解熱阻在分析傳熱問題中的重要地位。

  (二)導熱基本定律和導熱微分方程

  教學內容:傅立葉定律和導熱微分方程;導熱係數;定解條件--初始條件和邊界條件。

  教學要求:重點掌握傅立葉定律和導熱微分方程。著重理解推導各向同性材料、具有內熱源的導熱微分方程的理論依據和思路,以及導熱微分方程中各項的物理意義。了解影響導熱係數的主要因素。定解條件―初始條件和邊界條件,重點為常見的三類邊界條件。

  (三)導熱問題的分析解

  教學內容:平壁、圓筒壁、球壁和等截面直肋片的求解;具有內熱源的單層平壁導熱問題的求解;變導熱係數問題;肋片導熱的分析計算;熱阻及接觸熱阻;形狀因子;非穩態導熱過程的特點;熱擴散率;集總參數法;一維非穩態導熱問題的分析解;多維非穩態導熱問題的乘積解法;半無限大物體的非穩態導熱問題。

  教學要求:能應用傅立葉定律或導熱微分方程對常物性、無內熱源的一維穩態導熱問題(平壁、圓筒壁、球壁和等截面直肋片)進行分析求解,得出溫度場及導熱量的計算公式。並能對具有內熱源的單層平壁導熱問題進行求解。了解變導熱係數的處理方法。了解肋片在工程中的應用場合。能應用肋效率的曲線來計算直肋和環肋問題。加深理解熱阻概念及其在分析導熱問題時的重要性。了解接觸熱阻及用形狀因子的方法求解多維穩態導熱問題的方法。了解非穩態導熱過程的特點及熱擴散率。掌握集總參數法的分析求解方法,了解其限制條件。能列出一維非穩態導熱問題的微分方程及定解條件,應用諾謨圖或近似計算公式進行工程計算,簡單形狀物體的二維、三維問題的乘積解法;了解半無限大物體非穩態導熱問題的基本概念。了解周期性非穩態導熱的基本概念。

  (四)導熱問題的數值解

  教學內容:數值解法求解導熱問題的思路;節點離散方程;非穩態導熱問題的離散格式及穩定性條件。

  教學要求:了解數值解法求解導熱問題的基本方法與思路。重點是用熱平衡法導出二維穩態導熱問題的內部節點及常見邊界條件下邊界節點的離散方程。了解用迭代法求解離散方程的方法,應通過上機計算二維穩態導熱物體中的溫度分布及導熱量。對非穩態導熱問題重點放在非穩態項的離散以及擴散項離散時所取時間層不同對計算帶來的影響。能用熱平衡方法導出一維非穩態導熱問題的顯式離散方程。從物理概念上了解穩定性條件。



  (五)對流換熱原理

  教學內容:牛頓冷卻公式;流動邊界層和溫度邊界層;影響對流換熱的因素;局部表面傳熱係數與平均表面傳熱係數;常物性流體對流換熱的微分方程組及其定解條件;流體流動時的邊界層能量微分方程;邊界層能量積分方程;相似原理及準則方程;實驗數據的整理方法。

  教學要求:牛頓冷卻公式是對流換熱計算的基礎,要求重點掌握。掌握流動邊界層和溫度邊界層概念。理解影響對流換熱的因素。了解局部表面傳熱係數與平均表面傳熱係數的不同含義和作用,以及它們之間的關係。理解描寫常物性流體對流換熱的微分方程組及其定解條件。著重理解流體層流流動時能量微分方程的邊界層簡化方法及這一簡化的物理和數學意義。了解積分方程求解外掠等壁溫平板層流換熱問題的方法。理解相似原理或量綱分析在指導對流換熱實驗中的作用,準則方程的導出。掌握實驗數據的整理方法。了解近似模化和自模化在實驗技術中的作用。

  (六)單相流體對流換熱

  教學內容:圓管及非圓形通道內(層流和湍流)強制對流換熱;外掠單管及管束強制對流換熱;簡單形狀物體的大空間自然對流換熱;有限空間自然對流換熱。

  教學要求:重點理解各種典型對流換熱過程的流動圖像,並能從流動圖像定性地判斷局部表面傳熱係數的變化。掌握管內換熱入口段與充分發展段的概念。掌握定型尺寸和定性溫度的概念。能正確和熟練地運用準則方程(實驗關聯式)計算下列情形下的對流換熱:圓管及非圓形通道內強制對流換熱,外掠單管及管束強制對流換熱,簡單形狀物體的大空間自然對流換熱。了解有限空間自然對流換熱的概念。掌握強化單相流體對流換熱的途徑。

  (七)凝結換熱與沸騰換熱

  教學內容:珠狀凝結和膜狀凝結;豎壁層流膜狀凝結換熱分析解;豎管外和豎壁上與水平管和管束外凝結換熱的計算;凝結換熱的影響因素及強化;大容器飽和沸騰曲線;臨界熱流密度;大容器飽和核態沸騰換熱、臨界熱流密度的計算;沸騰換熱的影響因素及強化。

  教學要求:了解珠狀凝結和膜狀凝結的現象,推導豎壁上純淨蒸汽層流膜狀凝結換熱的分析解。能正確和熟練應用豎管外和豎壁上與水平管和管束外凝結換熱的計算公式進行計算,了解影響凝結換熱的主要因素及強化途徑。重點掌握大容器飽和沸騰曲線上的核態沸騰區,臨界點和過渡沸騰、穩定膜態沸騰區。理解確定臨界熱流密度的工程意義。能夠計算大容器的飽和核態沸騰換熱、臨界熱流密度。了解影響沸騰換熱的主要因素及強化途徑。

  (八)熱輻射的基本定律及實際物體的輻射特性

  教學內容:熱輻射的本質及特徵;黑體熱輻射的基本定律;黑體輻射函數;實際物體表面輻射特性;漫射表面和灰體;基爾霍夫定律。

  教學要求:理解熱輻射的本質、基本特徵,掌握熱輻射的基本定律。重點掌握斯忒藩-玻耳茲曼定律及基爾霍夫定律、黑體輻射函數表的應用。了解影響實際物體表面輻射特性的因素,表面輻射特性的重點是總吸收比和發射率。掌握漫射表面和灰體的概念,黑體和灰體表面輻射特性的異同。理解漫灰表面概念對簡化輻射換熱工程計算的重要意義。理解大多數工程材料在表面溫差不很大時可作為漫灰體處理。

  (九)輻射換熱的計算

  教學內容:角係數的定義和性質;角係數的計算;代數分析法;有效輻射;被透明介質隔開的漫灰表面間輻射換熱的計算;輻射換熱的強化與削弱;氣體輻射特點和影響氣體輻射發射率的因素。

  教學要求:理解角係數的定義和性質(相對性、完整性和可加性)。了解角係數是純幾何因子,與表面溫度及發射率無關,是在假設所研究的表面是漫射的以及在所研究表面的不同地點上向外發射的輻射熱流密度均勻的條件下才成立。能應用工程圖表查取角係數。學會角係數的代數分析法。重點掌握有效輻射的概念,了解封閉腔的意義。掌握簡單幾何條件下,被透明介質隔開的漫灰表面間輻射換熱的計算。能用有效輻射概念和網絡法對二個和三個表面之間的輻射換熱進行計算。掌握輻射換熱的強化與削弱的途徑。了解氣體輻射特點和影響氣體輻射發射率的因素,能應用圖表計算二氧化碳、水蒸氣混合物的發射率、吸收比。

  (十)傳熱過程分析與換熱器熱計算

  教學內容:傳熱過程與傳熱係數;臨界熱絕緣直徑;對數平均溫差;換熱器型式;換熱器的熱計算;傳熱的強化與削弱;傳熱問題綜合分析;汙垢熱阻及其確定方法。

  教學要求:再次理解熱量傳遞三種基本方式常常不是單獨存在,而是綜合起作用的。了解複合換熱過程的計算方法,了解輻射換熱表面傳熱係數的概念。了解何時會出現臨界熱絕緣直徑問題。理解傳熱係數的組成,能利用熱阻概念分析傳熱過程。掌握強化與削弱傳熱的原則和手段。對數平均溫差的推導和計算。了解工程中典型換熱器的型式。要求學會用平均溫差法和效能--傳熱單元數法進行換熱器的熱計算。能對1~2個傳熱問題進行綜合分析。了解汙垢熱阻及其工程確定方法。

  (十一)專題簡介

  教學內容:傳質簡介;熱管原理及應用;太陽輻射及太陽能利用。

  教學要求:理解在一定條件下傳質與傳熱的類似性。能分析幾個簡單的傳質過程,能用對流傳質的準則方程式進行傳質計算。了解熱管的原理及應用。了解太陽輻射的特點及太陽能利用。

  四、實踐環節(略)

  五、學時分配(略)

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