非稳态导热
合集下载
传热学第3章非稳态导热
5、热量变化 Φ1－－板左侧导入的热流量 Φ2－－板右侧导出的热流量
（1）两个阶段的过程是有区别的；
（2）与热流方向向垂直的截面上热流量处处不等。
◆对于非稳态导热一般不能用热阻的方法来做问题的定量分析。
2020/5/3 - 5 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
6、非稳态导热问题的求解 (1) 温度分布和热流量分布随时间和空间的变化规律
t
tf
tf
h
h
0
x
t
tf
h
0
x
2020/5/3 - 7 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
(3) 第三类边界条件下Bi数对平板内温度分布的影响
Bi r h
rh
1h
无量纲数
无量纲数的简要介绍：
基本思想：当所研究的问题非常复杂，涉及到的参数很多，为了减少问题所涉
及的参数，于是人们将这样一些参数组合起来，使之能表征一类物理现象，或物 理过程的主要特征，并且没有量纲。
Bi r h
rh 1 h
当 Bi 时， 当 Bi 时0，
，r因此，r可h 以忽略对流换热热阻 ，r因 此，可rh以忽略导热热阻
0 Bi
2020/5/3 - 9 -
第3章 非稳态导热——§3-2 集中参数法
§3-2 零维问题的分析法——集中参数法
3.2.1 集中参数法温度场分布的解析解
]
J
s
2020/5/3 - 13 -
第3章 非稳态导热——§3-2 集中参数法
即与 1/
的量纲相同，当
Vc
hA
时，则
hA 1 Vc
此时，
e1 36.8% 0
（1）两个阶段的过程是有区别的；
（2）与热流方向向垂直的截面上热流量处处不等。
◆对于非稳态导热一般不能用热阻的方法来做问题的定量分析。
2020/5/3 - 5 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
6、非稳态导热问题的求解 (1) 温度分布和热流量分布随时间和空间的变化规律
t
tf
tf
h
h
0
x
t
tf
h
0
x
2020/5/3 - 7 -
第3章 非稳态导热——§3-1 非稳态导热的基本概念
(3) 第三类边界条件下Bi数对平板内温度分布的影响
Bi r h
rh
1h
无量纲数
无量纲数的简要介绍：
基本思想：当所研究的问题非常复杂，涉及到的参数很多，为了减少问题所涉
及的参数，于是人们将这样一些参数组合起来，使之能表征一类物理现象，或物 理过程的主要特征，并且没有量纲。
Bi r h
rh 1 h
当 Bi 时， 当 Bi 时0，
，r因此，r可h 以忽略对流换热热阻 ，r因 此，可rh以忽略导热热阻
0 Bi
2020/5/3 - 9 -
第3章 非稳态导热——§3-2 集中参数法
§3-2 零维问题的分析法——集中参数法
3.2.1 集中参数法温度场分布的解析解
]
J
s
2020/5/3 - 13 -
第3章 非稳态导热——§3-2 集中参数法
即与 1/
的量纲相同，当
Vc
hA
时，则
hA 1 Vc
此时，
e1 36.8% 0
11-2 传热学第三章-导热四学时-3非稳态导热
度，最终达到热平衡。
物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。
下面用实例介绍这两类非稳态导热的特点。
§3-1 非稳态导热的基本概念
（1）周期性非稳态导热过程简介
室内墙 面温度
墙内各 处温度 最高值
★ 夏季室外空气温度以一天 24小时为周期变化；
★ 室外墙面温度也以24小时为 周期变化，但比室外空气温 度变化滞后一个相位、振幅 有所减小；
(
t n
)w
h(tw
t
f
)
★ 解的唯一性定理：
本章所介绍的各种分析法都被认为是满足特定问题的唯一解。
§3-1 非稳态导热的基本概念
5.第三类边界条件下Bi数对平板中温度分布的影响
在第三类边界条件下，确定非稳态导热物体中的温度变化特征 与边界条件参数的关系。
t
已知：平板厚2δ、平板导热系数λ、
初温t0，将其突然置于温度为
第三章 非稳态导热
2
§3-1 非稳态导热的基本概念
2.非稳态导热的分类及其特点
非稳态导热分为周期性和非周期性（瞬态导热）两大类。
周期性非稳态导热：物体温度按一定的周期发生变化；
非周期性非稳态导热（非稳态 稳态）：
物体的温度随时间不断地升高（加热过程）或降低（冷却过 程）；在经历相当长时间后，物体温度逐渐趋近于周围介质温
(3)求解方法：分析解法、近似分析法、数值解法。
分析解法： 分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换； 近似分析法： 集中参数法、积分法； 数值解法： 有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、
分子动力学模拟。
§3-1 非稳态导热的基本概念
4.导热微分方程解的唯一性定律
非稳态导热问题的求解实质：在规定的初始条件及边界条 件下求解导热微分方程式。
物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。
下面用实例介绍这两类非稳态导热的特点。
§3-1 非稳态导热的基本概念
（1）周期性非稳态导热过程简介
室内墙 面温度
墙内各 处温度 最高值
★ 夏季室外空气温度以一天 24小时为周期变化；
★ 室外墙面温度也以24小时为 周期变化，但比室外空气温 度变化滞后一个相位、振幅 有所减小；
(
t n
)w
h(tw
t
f
)
★ 解的唯一性定理：
本章所介绍的各种分析法都被认为是满足特定问题的唯一解。
§3-1 非稳态导热的基本概念
5.第三类边界条件下Bi数对平板中温度分布的影响
在第三类边界条件下，确定非稳态导热物体中的温度变化特征 与边界条件参数的关系。
t
已知：平板厚2δ、平板导热系数λ、
初温t0，将其突然置于温度为
第三章 非稳态导热
2
§3-1 非稳态导热的基本概念
2.非稳态导热的分类及其特点
非稳态导热分为周期性和非周期性（瞬态导热）两大类。
周期性非稳态导热：物体温度按一定的周期发生变化；
非周期性非稳态导热（非稳态 稳态）：
物体的温度随时间不断地升高（加热过程）或降低（冷却过 程）；在经历相当长时间后，物体温度逐渐趋近于周围介质温
(3)求解方法：分析解法、近似分析法、数值解法。
分析解法： 分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换； 近似分析法： 集中参数法、积分法； 数值解法： 有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、
分子动力学模拟。
§3-1 非稳态导热的基本概念
4.导热微分方程解的唯一性定律
非稳态导热问题的求解实质：在规定的初始条件及边界条 件下求解导热微分方程式。
传热学 第三章 非稳态导热
解：首先需要求出平壁 的热扩散率
a
0.185
0.65 106 m 2 / s
c 1500 0.839 1000
Fo
a 2
0.65 106 6 3600 0.25 2
0.22
非稳态导热的导热微分方程式：
c t ( t ) ( t ) ( t ) x x y y z z
求解方法： 分析解法、近似分析法、数值解法
分析解法：分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换 近似分析法：集总参数法、积分法、瑞利-里兹法 数值解法：有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、 分子动力学模拟
非稳态导热正规状况阶段
x,
0
1
2 sin 1 sin 1 cos 1
cos
1
x
e 12 Fo
Bi h
平壁中心x=0时
m
2 sin 1
a Fo 2
e 12Fo f Bi, Fo
0 1 sin 1 cos 1
m
0 m 0
cos
1
x
f
Bi, x
只取决于毕渥数与几何位置，与时间无关----特点3
传热学
第3章 非稳态导热 Transient/Unsteady Conduction
概述
自然界和工程上许多导热过程为非稳态，t = f()
例如：冶金、热处理与热加工：工件被加热或冷却
锅炉、内燃机等装置起动、停机、变工况 自然环境温度 供暖或停暖过程中墙内与室内空气温度
非稳态导热：周期性和非周期性（瞬态导热）
假设：厚度为2，导热系数、热扩散率为常数，无
内热源，初始温度与两侧流体相同，为t0。两侧流体温 度突然降低为tf，并保持不变，平壁表面与流体间对流 换热表面传热系数h为常数。
第三章 非稳态导热详解
第一节 非稳态导热的基本概念
3、非稳态导热的基本特点
①. t ， 0这意味着任何非稳态导热过程必然伴随着加热 或冷却过程。
②.在非稳态导热过程中，热量传递方向上的不同位置的导热
量是不同的。
.
③.非稳态导热过程数学描写：
t
(
2t x 2
2t y2
2t z2
)
c
t(x, y,z,0) t0
第三章 非 稳 态 导 热
第一节 非稳态导热的基本概念 第二节 集中参数法 第三节 典型一维物体非稳态导热 第四节 半无限大物体非稳态导热 第五节 其它形状物体的瞬态导热
第一节 非稳态导热的基本概念
一、分类 物体的温度随时间而变化的导热过程叫非稳态导
热。根据物体的温度随时间而变化的特征可分为两类： 非稳态周非导期周热性期非性稳 非态稳导态热导热（又称为瞬态导热）
1.举例说明其
由tf1/升至tf1//所需时间 tw1
tw1/
ta
ta/
tb
tw1// ta//
tb//
tb/
tc
tc//
tc/ tw2/
tw2
tw2//
0 a b
c 0
第一节 非稳态导热的基本概念
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
1.举例说明其过程特点：
qB
4>.墙内外表面热流密度的变化： a.内墙表面开始时，因温差大，q1
第一节 非稳态导热的基本概念
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
1.举例说明其过程特点： 3>.墙内各处温度的变化：
t
tf1//
a bc
a.开始，因为tf1的上升→内墙表 面温度直线上升，靠近内墙的 墙体温度上升，而此时，a、b、
第四章 非稳态导热..
工程中：
机器启动、停机、变工况时部件的导热过程； 冶金、热加工、热处理工艺中工件的加热及冷却过程等； 石油工程中钻井、焖井、采油等过程中热量在地层内的扩散过程。
具有实际意义。
2
第三节
本节讨论:
非稳态导热
——基本概念和特点
——非稳态导热问题的求解及诺模图
——集总参数法
3
m (0, ) f1 ( Fo，Bi) 0
( x, ) ( x, ) m 0 m 0
意味着初始条件的影响已经消失， 这是正规状况阶段。
( x, ) x f 2 ( Bi， ) m (0, )
工程上常采用两种简化的计算方法：
诺模图方法——由海斯勒(Heisler)提出；
13
第四章 / 第三节 非稳态导热
（一）无限大平壁的分析解及诺模图
1、平壁内温度分布的求解
t 2t a 2 0 x , 0 x
初始条件： t | 0 t 0
0 x
边界条件： t | 0 （对称性） x 0
x
t |x h t |x t f x
物体内部各点在同一时刻的温度趋于一 致，温度场与空间位置无关，只是时间 的单值函数。
这样的物体称为集总热容系统。
工程中取Bi<0.1
25
第四章 / 第三节 非稳态导热
（一）无限大平壁的分析解及诺模图
2、Fo数和Bi数的物理意义以及对非稳态过程的影响
h Bi数的影响： Bi 1h
—出现在特征数中的几何尺度 —不同情况下，不同形状的物体特征长度是不同的。 Fo 数 、 Bi数称为特征数，习惯上又称准则数， 具有特定的物理意义。
第三章-非稳态导热
工程上认为= 4τc时导热
体已达到热平衡状态
如果导热体的热容量（ Vc ）小、换
cV 热条件好（hA大），那么单位时间所
hA
传递的热量大、导热体的温度变化快， 时间常数小。
时间常数反映了物体对周围环境温度变化响 应的快慢，时间常数小的响应快，时间常数 大的响应慢，其主要影响因素为物体的热容 量和物体表面的对流换热条件。
非稳态导热的不同时刻物体的温度分布
2.两个阶段
非正规状况阶段(初始状况阶段)
在=3时刻之前的阶段，物体内的温度
分布受初始温度分布的影响较大。
正规状况阶段
在 = 3时刻之后，初始温度分布的影
响已经消失，物体内的温度分布主要 受边界条件的影响.
3.热量变化
与稳态导热的另一区别：由于有温 度变化要积聚或消耗热量，同一时刻 流过不同界面的热流量是不同的。
( x, ) e a 2 [ A cos( x ) B sin( x )]
( x, ) e a 2 [ A cos( x) B sin( x)] （a）
常数A、B和β可由边界条件确定。
0, t0-t 0
(1)
x 0, x 0
(2)
x , - x h
(3)
BiV FoV
0
BiV 越小表明内部导热热阻越小或外部热阻越
大，从而内部温度就越均匀，集总参数法
的误差就越小。 对热电偶测温情况，一
般使BiV=0.001量级或最小。
BiV 0.1M
为判定系统是否为集总参数系 统 ，M为形状修正系数。
厚度为2的大平板 V A＝ M 1 直径为2r的长圆柱体 V A＝ r 2 M 0.5
当几何形状及边界条件都比较简单时可获得分 析解。
第3章 非稳态导热
解之，得： 2 a 1 2 x, 2sin n x e cos n 0 n 1 n sin n cos n
式中离散值n是下列超越方程的根，称为特征值
tan n
hA d cV 0
hA cV
hA ln 0 cV
e 0
hA exp cV
l=V/A hA h V A hl cV c V A 2 c l 2
将微分方程分离变量并求解得分析解为 ： t t0 1 2 u e u2 du erfc
物体内的温度分布 根据半无限大物体的定义，得出导热微 分方程为： 2 a x2 初始条件为： τ=0 时， ( x,0) t0 t0 0 边界条件为：x=0 时， t t
x0 w 0 w
x= ∞ 时，
x t0 t0 0
t 2t a 2 0 x , 0 x t x,0 t0 0 x t x, 0 x x 0 t x, h t x , t x x
对热量计算公式的说明
热量计算公式适用于物体被冷却时，温差取
热量计算公式适用于物体被加热时，温差取
t0 t t t0
物体内部导热热阻可以忽略时的加热或冷却，有时又称 为牛顿加热或牛顿冷却。
注意：由于用集总参数法求物体的温度分布时，认为物 体内没有温度梯度，温度只随时间而变化，所以不能 用傅立叶定律求热量。
中心点的温度
12
Fo
x cos 1
0, 2 sin 1 e 0 1 sin 1 cos 1
《传热学》第三章 非稳态导热
令：
—— 过余温度
使导热微分方程边界条件齐次化：
1.分离变量法求解导热微分方程：
对于此类偏微分方程，应采用分离变量法来进行求解： 假定：
代入导热微分方程，得出：
令：
并对两式分别求解
求解结果： 因φ 不可能是无限大或常数，所以只能有：μ <0，因而可令：
求解结果：
将两个求解结果合并，得到：
其中：
A c1c2 , B c1c3
集总热容体的温度分布：
其中：
L
V ——定型尺寸 A
cV
hA
——时间常数（表示物体温度接近流体温度的快慢）
集总热容体的温度分布亦可写成：
四、不同加热方式下的无限大平壁瞬态导热
t
qv
h, t f
h, t f
qw
qw
h, t f
h, t f
x
第三节 半无限大物体的瞬态导热
应用领域：大地 一、第一类边界条件
半无限大物体表面温度：
半无限大物体表热负荷：
——一定时间内将壁温提高至tw所需的热负荷
第四节 其他形状物体的瞬态导热
一、无限长圆柱体和球体——计算线图法 分无 布限 计长 算圆 步柱 骤温 度
计算Bi和Fo
由图3－13计算中心温度
由图3－14计算任意处温度 无限大平壁—— 半壁厚δ
定型尺寸
无限长圆柱体和球体—— 半径 R 其他不规则形状物体——V/A
或：
傅立叶准则——
二、正常情况阶段——Fo准则对温度分布的影响
对
进行收敛性分析： 随着β n的递增，级数中指数一项收敛很快，所以级数收敛很快，尤其当Fo较 大时，收敛性更加明显。 因此，当Fo>0.2时，仅用级数第一项来描述，已足够精确，即：
第三章 非稳态导热
(
)
Qτ = 1 − e − BiV ⋅FoV Q0
上述分析结果既适用于物体被加热的情况， 上述分析结果既适用于物体被加热的情况 ， 也适用 于物体被冷却的情况。 于物体被冷却的情况。
8
例题 3-2 ， 例题 3-3
作业 3-1 3-3 3-4
9
3-3. 一维非稳态导热问题的分析解
第三类边界条件下大平壁 第三类边界条件下 大平壁 、 长圆柱及球体的加热 大平壁、 或冷却是工程上常见的一维非稳态导热问题。 或冷却是工程上常见的一维非稳态导热问题。 （1）无限大平壁冷却或加热问题的分析解简介 假设： 假设： 厚度为2 厚度为2δ、热导率λ、热扩 散率a 为常数， 无内热源， 散率 a 为常数 ， 无内热源 ， 初始温 度与两侧的流体相同并为t 度与两侧的流体相同并为 t0。 两侧 流体温度突然降低为 t∞ ， 并保持 不变， 不变 ， 平壁表面与流体间对流换 热表面传热系数h为常数。 热表面传热系数h为常数。 考虑温度场的对称性， 考虑温度场的对称性 ， 选取 坐标系如图， 坐标系如图 ， 仅需讨论半个平壁 的导热问题。 的导热问题。 这是一维的非稳态导热问题。 这是一维的非稳态导热问题。 10
θ ( x, τ ) ∞ 2sin µn x −µ =∑ cos µn e Θ= θ0 δ n =1 µ n + sin µ n cos µ n
2 n ⋅ Fo
12
θ ( x,τ ) ∞ 2sin µn x −µ ⋅Fo =∑ cos µn e Θ= θ0 δ n=1 µn + sin µn cos µn
θ0 µ 1 + s in µ 1 c o s µ 1
1
δ
第三章非稳态导热
第三章 非稳态导热的分析计算3-1 非稳态导热过程分析 一、非稳态导热过程及其特点 导热系统（物体）内温度场随时间变化的导热过程为非稳态导热过程。
在过程的进行中系统内各处的温度是随时间变化的，热流量也是变化的。
这反映了传热过程中系统内的能量随时间的改变。
我们研究非稳态导热过程的意义在于，工程上和自然界存在着大量的非稳态导热过程，如房屋墙壁内的温度变化、炉墙在加热（冷却）过程中的温度变化、物体在炉内的加热或在环境中冷却等。
归纳起来，非稳态导热过程可分为两大类型，其一是周期性的非稳态导热过程，其二是非周期性的非稳态导热过程，通常指物体（或系统）的加热或冷却过程。
这里主要介绍非周期性的非稳态导热过程。
下面以一维非稳态导热为例来分析其过程的主要特征。
今有一无限大平板，突然放入加热炉中加热，平板受炉内烟气环境的加热作用，其温度就会从平板表面向平板中心随时间逐渐升高，其内能也逐渐增加，同时伴随着热流向平板中心的传递。
图3-1显示了大平板加热过程的温度变化的情况。
从图中可见，当0=τ时平板处于均匀的温度0t t =下,随着时间τ的增加平板温度开始变化，并向板中心发展，而后中心温度也逐步升高。
当∞→τ时平板温度将与环境温度拉平，非稳态导热过程结束。
图中温度分布曲线是用相同的∆τ来描绘的。
总之，在非稳态导热过程中物体内的温度和热流都是在不断的变化，而且都是一个不断地从非稳态到稳态的导热过程，也是一个能量从不平衡到平衡的过程。
二、加热或冷却过程的两个重要阶段从图3-1中也可以看出，在平板加热过程的初期，初始温度分布0t t =仍然在影响物体整个的温度分布。
只有物体中心的温度开始变化之后(如图中τ>τ2之后)，初始温度分布0t t =的影响才会消失，其后的温度分布就是一条光滑连续的曲线。
据此，我们可以把非稳态导热过程分为两个不同的阶段，即：初始状况阶段――环境的热影响不断向物体内部扩展的过程，也就是物体（或系统）仍然有部分区域受初始温度分布控制的阶段；正规状况阶段――环境对物体的热影响已经扩展到整个物体内部，且仍然继续作用于物体的过程，也就是物体（或系统）的温度分布不再受初始温度分布影响的阶段。
非稳态导热
非稳态导热的基本概念例1：设一平壁，初始温度为t0，突然将其投入到温度为t∞的流体中对其进行对称加热。
例2：设一平壁，初始温度为t0，在τ=0时使其左边温度恒为t1，右侧与温度t0的流体进行换热。
非稳态导热的特点：物体内各点温度随时间变化在热量传递过程中，由于温度的变化物体要积蓄（或放出）热量，即使是一维无限大平板对每个于热流垂直的面上热流也不相等。
工程上研究非稳态导热往往要解决以下几个问题：物体中某一部分的温度从初始值上升或下降到某一给定值所需要的时间；物体在非稳态导热过程中的温度分布；从某一时刻起经过一定时间后表面所传递的热量。
求解办法：在给定单值性条件求解导热微分方程。
当一物体表面突然被加热或被冷却时，物体中各点的温度变化及其分布取决于：物体表面与周围环境的热交换条件；换热越强烈，单位时间进入物体的热量（或物体放出）就越多。
物体内温度变化就越剧烈。
物体内部导热条件；导热热阻越小，则为传递一定热量所需的温度梯度就越小。
集总参数法的特点：是一种理想化模型；物体内热阻忽略不计；物体内温度梯度忽略不计，认为整个物体具有相同的温度；通过表面传递的热量立即设整个物体的温度同时发生变化；把一个有分布热容的物体看成是一个集中热容的物体；只考虑与环境间的换热不考虑物体内的导热。
有可能用集总参数法的条件（定性）：物体的导热系数要相当大；几何尺寸要相当小；表面换热要弱；表面积要大。
求解示例：问题的提出：有一任意形状的物体，体积为V，表面积为A，具有均匀的初始温度t0,在初始时刻将其置于温度为t∞的流体中，设t0＞t∞，表面与流体的对流换热系数为h,物体的参数为ρ、c,导热系数非常大。
求：1.物体内的温度随时间的变化；物体中任意时刻的热流；到某一时刻的总传热量；到某一温度所需的时间。
解：建立物力数学模型讨论：时间常数当时，物体内的过余温度达到初始时的36.8%毕渥数傅立叶数：能用集总参数法处理的条件（定量），要使各点的过余温度偏差小于5%，则要求：1.如Bi 定义为，（L为特征尺度）则要求：Bi≤0.1例题：用电热偶测量管道内气流的温度。
非稳态导热
rVc
华北电力大学
梁秀俊
高等传热学
从0到任意时刻 积分
1 d hA
d
0
rVc 0
t t
hA
e rVc
0 t0 t
上式中右端的指数可作如下变化
hA rVc
h(V /
A)
a
(V / A)2
BiV FoV
式中BiV是特征尺度l用V/A表示的毕渥数。
华北电力大学
梁秀俊
高等传热学
梁秀俊
高等传热学
(x, ) (x, ) m ( ) ;
0
m ( ) 0
m ( ) f (Bi, Fo) 0
无限大平板中心无量纲过余温度曲线
华北电力大学
梁秀俊
高等传热学
(x, ) (x, ) m ( ) ; (x, ) f (Bi, x )
0
m ( ) 0
m ( )
四、无限长圆柱 过程类似 图线类似
无限大平板无量纲过 华北电力大学 余温度曲线
梁秀俊
四、乘积解
高等传热学
在二维和三维非稳态导热问题中，几种典型几何 形状物体的非稳态导热问题可以利用一维非稳态导 热分析解的组合求得。无限长方柱体、短圆柱体及 短方柱体就是这类典型几何形状的例子。
华北电力大学
梁秀俊
高等传热学
矩形截面的无限长方柱体是由两个无限大平壁垂 直相交而成；短圆柱是由一个无限长圆柱和一个无 限大平壁垂直相交而成 ；短方柱体（或称垂直六面 体）是由三个无限大平壁垂直相交而成；
z
d d
C1 exp( 2 )
再 积 分 得 ：
C1
exp( 2 )d
0
C2
代 入 定 解 C1 2w / 条 件 可 得 ：C2 w
第四章 非稳态导热
| x 0 0 x | x h | x x
f (0 , h, , , a, , x)
15
第四章 / 第三节 非稳态导热
（一）无限大平壁的分析解及诺模图
1、平壁内温度分布的求解
无穷级数
x , x 2 a 分析解： Cn exp n 2 cos n 0 n 1
2
2 a
分子—表示边界上发生热扰动时刻算起到计算时刻 为止的时间； 从过程开始到 时刻的时间 分母δ /温度变化波及到 a—表示热扰动经过一定厚度的固体层传播到 2面积所需的时间 面积δ2上所需要的时间。 Fo数看成是反映非稳态进程的无量纲时间。 Fo数越大，边界上的热扰动就能更深入地传播到 物体内部，非稳态过程进行得越充分。
物体内的温度分布受初始温度的影响很大，温度分布呈现部 壁面温差引起 分为非稳态导热规律和部分为初始温度区的混合分布。
B 正规状况阶段——整个物体参与变化
物体内的温度分布不再受初始温度的影响，而只受控于非 稳态导热的规律（边界条件、物性和几何因素的影响）。
热应力，会致 热变形！
（2）在非稳态导热热量传递的路径中，每一个与热流 方向垂直的截面上的热流量是处处不等的。
13
第四章 / 第三节 非稳态导热
（一）无限大平壁的分析解及诺模图
1、平壁内温度分布的求解
t 2t a 2 0 x , 0 x
初始条件： t | 0 t 0
0 x
边界条件： t | 0 （对称性） x 0
x
t |x h t |x t f x
（例如半无限大物体的导热）。
22
第四章 / 第三节 非稳态导热
f (0 , h, , , a, , x)
15
第四章 / 第三节 非稳态导热
（一）无限大平壁的分析解及诺模图
1、平壁内温度分布的求解
无穷级数
x , x 2 a 分析解： Cn exp n 2 cos n 0 n 1
2
2 a
分子—表示边界上发生热扰动时刻算起到计算时刻 为止的时间； 从过程开始到 时刻的时间 分母δ /温度变化波及到 a—表示热扰动经过一定厚度的固体层传播到 2面积所需的时间 面积δ2上所需要的时间。 Fo数看成是反映非稳态进程的无量纲时间。 Fo数越大，边界上的热扰动就能更深入地传播到 物体内部，非稳态过程进行得越充分。
物体内的温度分布受初始温度的影响很大，温度分布呈现部 壁面温差引起 分为非稳态导热规律和部分为初始温度区的混合分布。
B 正规状况阶段——整个物体参与变化
物体内的温度分布不再受初始温度的影响，而只受控于非 稳态导热的规律（边界条件、物性和几何因素的影响）。
热应力，会致 热变形！
（2）在非稳态导热热量传递的路径中，每一个与热流 方向垂直的截面上的热流量是处处不等的。
13
第四章 / 第三节 非稳态导热
（一）无限大平壁的分析解及诺模图
1、平壁内温度分布的求解
t 2t a 2 0 x , 0 x
初始条件： t | 0 t 0
0 x
边界条件： t | 0 （对称性） x 0
x
t |x h t |x t f x
（例如半无限大物体的导热）。
22
第四章 / 第三节 非稳态导热
传热学-第三章非稳态导热问题分析解
单位时间 0, t t0
物体内能 的减少(或 增加)
Φ hAt t
Φ cV dt d
当物体被冷却时（t 0 >t）,由能量守恒可
知
hA(t t ) -Vc dt
d
令： t t — 过余温度，则有
hA
-Vc
d d
( 0) t0 t 0
控制方程 初始条件
方程式改写为：d hA d 分离变量法 Vc
由于表面对流换热热阻与导热热阻相对大小的不同， 平板中温度场的变化会出现以下三种情形：
（1） 1/ h / Bi
（2） / 1/ h Bi 0
（3） δ/ λ 与1/h 的数值比较接近 0 Bi
Bi 准则对温度分布的影响
1/ h /
/ 1/ h δ/ λ 与1/h的数值接近
是一种理想化模型； 物体内导热热阻忽略不计； 物体内温度梯度忽略不计，认为整个物体具有相
同的温度；
通过表面传递的热量立即使整个物体的温度同时 发生变化； 把一个有分布热容的物体看成是一个集中热容的物体；
只考虑与环境间的换热不考虑物体内的导热。
问题的提出：
2 温度分布 如图所示，任意形状的物体，参数均为已知。
0.049 0.05 可采用集总参数法。
F cp V
cp
dl 2d 2 d 2l 4
4
cp
4(l d dl
2)
140 4 (0.3 0.025) 480 7753 0.05 0.3
0.326102
t tf 800 1200 0.342
0 t0 tf 30 1200
由式(3-1)得：
？？？
§3-2 集总参数法
基本思想：对任意形状的物体，忽略物体内部的导热 热阻，认为物体温度均匀一致。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
x 2
y 2
z 2
c
t ( x , y, z,0) t 0
t h ( t w t f ) n w
数学上可以证明其解t=f(x,y,z，τ）是唯一的。
第一节 非稳态导热的基本概念
4、非稳态导热的三种情形
设一块厚2δ的金属平板，初始温度为 t 0 ，突然将它置于温度为 t的 f 流体中冷却，表面换热系数为h，平板的导热系数为λ。根据平板的 导热热阻与表面对流换热热阻的相对大小，其温度分布有三种情形。 P116图3-4 ①1 即 h
三、求解：
第二节 集中参数法
d
hA d cV 对方程进行分离变量有：
积分上式（由0积至，由0积至）得： hA 0 cV
ln
即：
hA t tf exp 0 t0 t f cV
①温度场：
指数
hA cV
0 e
hV / A
hA cV
c
2 V A
hL
a 2 Bi Fo L
2 Bi hl Fo l 式中 为毕渥数， 称为傅里叶数，其中 特征长度为 l V A ,对平板取半厚，对圆柱和球体取半径。
一、集中参数法的实质： 当Bi≤0.1时，可忽略物体内部导热热阻而认为其内部温度场 均匀一致，此时的温度为 t 而与空间坐标无关。此简化分析 f
第二节 集中参数法
方法称为集中（总）参数法。因为物体的温度与空间坐标无关， 故集总参数法容易处理形状不规则的物体。
二、数学描写：
已知：任意形状物体，、c、、体积V，参加换热的全表面积 A，流体tf、h，初始时t|=0=t0，即0=t0-tf，且有Bi ≤ 0.1。如 下图： 据热平衡关系式（冷却时）： A 物体在单位时间放出的能量=对流换热量 V 即： -cVd/d=hA , c, t f 0 t0 t f 0 h tf
第一节 非稳态导热的基本概念
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
2.物体非稳态导热过程的温度分布可分为两种类型 ①非正规状况阶段：在初始阶段，物体内各点的温 度主要受初始温度的控制，随时间变化率是不一 样的，即各点的t/均不相同，且无规则； ②正规状况阶段：一定时间后，初始温度的影响逐 渐消失，物体的温度主要受热边界条件的影响， t/虽不一定相同，但有一定的规律可循。 一般，物体的整个非稳态导热过程主要处于正规状 况阶段，其温度分布是我们主要讨论内容。
第一节 非稳态导热的基本概念
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
1.举例说明其过程特点： t 3>.墙内各处温度的变化： a.开始，因为tf1的上升→内墙表 面温度直线上升，靠近内墙的 a b c 墙体温度上升，而此时，a、b、 c及外墙在短促时间内可认为 // ta 不发生变化； tb// b.随着时间的推移，a、b、c处的 // tc 温度分别自a、b、c时刻后 // tw2 开始上升； ta/ t / / c.外墙tw2自0时刻后开始上升； b tc tw2/ tf2 d.当各点t上升至“//”状态后，室 内对内墙的对流换热量等于外 墙的换热量，即达到新的稳态 x 阶段。
tw2//
a
b
c
0
第一节 非稳态导热的基本概念
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
1.举例说明其过程特点： q B
q/
4>.墙内外表面热流密度的变化： a.内墙表面开始时，因温差大，q1 呈直线上升（图中AB段），由 于tw1先快后慢地上升，导致q1 也先快后慢地下降，直至q//不 q1—内墙吸热量 变，达到新的稳态阶段； // q C b.外墙表面开始因tw2未变，故先 保持不变（图中AD段），后来 由于tw2先快后慢地上升，导致 q2—外墙放热量 q2也先快后慢地上升，直至q// D A 不变，达到新的稳态阶段。 0 5>.图中阴影面积：墙体热力学能 0 的增加（蓄热）。
第一节 非稳态导热的基本概念
一、分类 物体的温度随时间而变化的导热过程叫非稳态导
热。根据物体的温度随时间而变化的特征可分为两类： 周期性非稳态导热 非稳态导热 非周期性非稳态导热（又称为瞬态导热）
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
指物体温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。 1.举例说明其过程特点：以采暖设备给室内供热为例，分析 墙内各点温度及热流密度的变化情况。 1>.已知： a.墙外tf2始终保持不变； b.初始时刻，室内空气温度tf1/、墙体各点温度tw1/、ta/、 tb/、tc/、tw2/均稳定； c.供暖设备工作后，室内空气因热容小温度很快上升到tf1// 并保持稳定。 2>.问：墙内各点温度及热流密度如何变化？
tf1// tw1//
tf1/ tw1/
第一节 非稳态导热的基本概念
二、非周期性非稳态导热（瞬态导热）
1.举例说明其过程特点： 3>.墙内各处温度的变化：
由tf1/升至tf1//所需时间 tw1 ta tb tc tw2 tw1//
tw1 ta/
/
ta//
tb//
tb/ tc/
tw2/ 0
tc//
h
i
见图3-4a，由于表面换热热阻可以忽略，一开始平板表面温度就被 冷却到 t f ， 随着时间的推移，平板内各点的温度逐渐下降而趋近 于 tf。 ②1 即 i h 0
1h
h
见图3-4b，由于平板导热热阻可以忽略，任一时刻各点的温度一致， 即t=f(τ),并随时间的推移整体下降，逐渐趋近于 。 tf ③当两种热阻的数值比较接近，即Bi 为有限值时，其温度分布见图 3-4c。
第一节 非稳态导热的基本概念
3、非稳态导热的基本特点
①. t ，这意味着任何非稳态导热过程必然伴随着加热 0 或冷却过程。 ②.在非稳态导热过程中，热量传递方向上的不同位置的导热 . 量是不同的。 t 2t 2t 2t ③.非稳态导热过程数学描写： ( )