西安交通大学材料传热基础课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 材料传热基础 Fundamentals of Materials Heat Transfer 课程编号 MATL400802 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论: 32 实验: 0 上机: 0 课外: 0 （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 材料科学基础，材料力学性能，物理化学 教材、参考 书及其他 资料 [序号] 作者 1，作者 2.教材名称.出版地：出版者，出版年. 例：[1] 刘国钧，陈绍业.电路分析.北京：高等教育出版社， 1994. 使用教材： [1] 杨世铭著，传热学基础.北京：高等教育出版社，2004 年 参考教材： [1]曹玉璋编, 传热学. 北京：北京航空航天大学出版社，2001 年 [2] 杨世铭、陶文铨编著，传热学（第四版）.北京：高等教育 出版社，2006 二、课程目标及学生应达到的能力、 2.1 课程的基本要求 传热学是研究热量传递规律的科学，是材料制备、材料加工工程专业的技术 基础课。它不仅为学生学习有关的专业课程提供基础理论知识，也为从事材料制 备、材料加工的工程技术人员打下必要的基础。通过本课程的学习，使学生掌握 热量传递的三种方式(导热、对流和辐射)的基本概念和基本定律；掌握分析工程 传热问题的基本能力，掌握热量传递的基本规律
由于传热学知识在材料制备加工、能源、电力、冶金、动力机械、石油化工、 环境与建筑等以及许多高新技术领域（如电子信息工程、航天航空、医学与生物 工程）都是必不可少的基础知识，教学过程中将结合材料制备与加工过程涉及的 传热现象，主要讲授热量传递的基本规律和优化热量传递过程的基本方法。主要 内容包括：热量传递的基本方式及其在材料工程领域的应用；导热基本理论；稳 态导热；非稳态导热；导热问题的数值解法；对流换热基本理论；自然对流与强 制对流换热；相似理论；辐射换热基本规律；复合换热与传热基础。通过系统教 学使学生了解常见的热传递现象的物理机理和特点，并能进行定量的计算；能够 对典型的传热现象能进行分析，建立合适的数学模型，并进行正确的求解；能利 用传热学的基本原理和基本知识，理解材料工程所涉及的一些典型的传热问题求 解方法。同时，通过数值计算部分的学习为学生使用计算机求解典型传热问题打 下一定的基础，为今后研究、处理、解决材料制备与加工过程涉及的与传热相关 的工程问题奠定必要的技术理论基础。 课程组织学生进行随堂测试，测试内容除了对所学章节基础知识的掌握进行 考察外，还涉及部分在材料制备工艺设计中涉及传热学知识的内容，使学生了解 材料及复杂构件制造过程中的各流程对材料设计目标和技术方案的影响，同时锻 炼学生发散思维考量具体工程问题的能力。 2.2 课程的目标及学生应该达到的能力 1. 传热学的重要性及领域内基础知识 热量传递控制在材料制备、材料加工、材料服役优化与控制中具有不可或 缺的重要作用，又是能源化工、冶金、先进制造、航天航空等重要工业领域材 料获得应用的基础，因此，是材料制备加工的基础核心课程，是材料传热学从 事材料制备加工领域技术人员必须掌握的基础知识。本课程结合所有传热问题 都以具体材料为载体的特征，结合材料特性在传热中的作用，使学生自发认识 到本门课的重要性，从而激发学习积极性，同时掌握传热的三种形式，传热的 基本理论、常规数值计算方法及复合换热等重要概念。 支撑毕业要求指标点 1-2：针对工程实践中涉及的物理、化学等问题，能够 应用自然科学基础知识进行分析和解释。 2. 材料制造工艺的设计及开发解决方案
使学生养成理论建模、物理问题理论化与理论联系实际解决问题的方法及 能力。材料传热学基础课程作为材料学科专业基础核心课程，是一门与其他课 程不同、主要对“传热”这一物理对象，通过数学建模获得传热学相关的数学 模型、针对具体的不同类型的传热学问题进行理论求解，不仅能够培养学生掌 握物理问题的数学或理论建模的方法、以及将一般物理问题提升至理论求解的 方法并提升其能力，而且可以培养学生理论结合实际解决实际问题的思维方法 与能力，而且基于独特的对于对变量问题求解的无量纲化方法，使学生锻炼将 复杂问题简化而进行求解的方法，其次，通过基于无量纲准则的相似理论或相 似原理，使学生理解并具有追求普适性规律的思想。引导学生提升应用计算机 解决实际问题的能力。针对本学科课程对计算机应用需求较少，因此学生缺乏 应用计算机解决问题的动力，从而潜力有待发挥的问题，结合例题与数值传热 学内容，通过采用计算机求解具体问题的锻炼，提升应用计算机的积极性与能 力。拓宽学生思维、养成基于多学科知识思考问题的方法。材料传热学基础以 材料传热为主，涉及传热学相关的热工、热力学、流体力学、流体动力学、与 电磁波相关的辐射理论等，在该课程的学习过程中，结合相关领域知识的简介， 不仅能在传热学的基础上拓展知识领域，而且更重要的是，使学生学生养成基 于多学科知识考虑与解决问题的思维方法。 支撑毕业要求指标点 3-1：掌握材料单元、部件、系统或工艺在全周期、 全流程设计/开发的基本方法和技术，了解各种因素对材料设计目标和技术方 案的影响。 3. 结合材料传热学基础知识及应用前沿，解决复杂工程问题问题，养成创造性 的发散思维习惯 结合材料传热学是以材料为基础而发生传热的特点，在强调传热学在材料制 备加工处理与应用中的重要性的同时，通过传热学的特点，结合实例，引导学生 在学习过程中，不限于课本知识的学习，基于文献检索调研而思考基于本课知识 在其他领域的应用。如在介绍材料热传导特征时，基于金属材料热传导率与电导 率之间的关系，启发学生当发现热传导率高的材料时，应该考虑该材料是否也具 有高电导率；基于平板与球体的稳态传热问题，不仅理解不同类材料热导率的测 量方法，同时可进行平板热导仪与球体热导仪的设计、基于球形空腔模型进行材
料热辐射仪的设计等。 支撑毕业要求 4-1：基于材料科学原理，针对材料领域复杂工程问题， 通过 文献检索调研、分析现有或相近问题的解决方案。 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕 业 要求 / 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课程目标 1 M 课程目标 2 M 课程目标 3 M 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的 关联关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序号 章节名称 知识点 参考 学时 1 1 绪论 1.1 传热学的研究对象及其在 热加工工艺中的应用 1.2 热量传递的三种基本方式 1.3 单位制 热量传递的三种基本方式：导 热、对流和热辐射；热阻；传 热过程和传热系数； 2 2 2 导热基本定律 2.1 傅里叶定律 2.2 导热微分方程式 2.3 初始条件及边界条件 温度场、温度梯度、付里叶定 律和导热系数；导热微分方程、 初始条件与边界条件； 2 3 3 稳定导热 3.1 通过平壁的导热 3.2 通过圆筒壁和球壁的导热 3.3 表面有散热的长杆的导热 3.4 接触热阻 3.5 形状因子 单层及多层平壁的导热；单层 及多层圆筒壁的导热；肋片导 热、肋片效率，形状因子；接 触热阻 4
4 4 非稳态导热 4.1 非稳态导热的基本概念 4.2 第一类边界条件下的一维 非稳态导热 4.3 伴有相变边界的一维非稳 态导热 4.4 第三类边界条件下的一维 非稳态导热 4.5 二维及三维非稳态导热 4.6 集总参数法 4.7 不同星湖脏物体加热或冷 却速度的比较 4.8 集中热源作用下的非稳态 导热 非稳态导热的基本概念；第一 类边界条件下的一维非稳态导 热的分析解；伴有相变边界的 一维非稳态导热（铸件凝固时 温度分布）；第三类边界条件下 的一维非稳态导热；二维、三 维非稳态导热问题的求解；集 总参数法；不同形状物体加热 与冷却速度（热处理加热冷却 传热）；集中热源下的非稳态导 热（电弧、激光等加工时的传 热问题）； 8 5 5 导热问题的数值解法 5.1 稳态导热有限差分方程 5.2 非稳态导热有限差分方程 5.3 边界条件 5.4 差分方程组的求解 导热问题的数值解法 稳态 导热有限差分法；非稳态导热 有限差分法；差分方程组的求 解； 4 6 6 对流换热 6.1 牛顿冷却公式和表面传热 系数 6.2 影响对流换热的主要因素 6.3 对流换热微粉方程组 6.4 对流换热的无量纲准则 6.5 自然对流换热的计算 6.6 强制对流换热的计算 对流换热概述，牛顿公式，换 热系数及其影响因素；能量微 分方程的建立；动量微分方程 及连续方程；速度边界层和热 边界层的概念；对流换热微分 方程组及边界条件；对流换热 的无量纲准则与微分方程组的 无量纲化；自然对流换热的计 算（沿平板流动的层流换热的 积分方程及其解）；强制对流换 热计算 4