传热学-第二章 导热基本定律及稳态导热第三讲-动力工程
传热学(第二章)
(2-32)
热阻
R=
1 1 1 ( 4πλ r r2 1
(2-33)
由球坐标系一般形式的导热微分方程
1 T 1 T 1 T T (λr2 + 2 2 (λ ) + 2 (λ sin θ ) + Φ = ρcp r2 r r) r sin θ r sin θ θ θ τ
2 1
λ1
第二章
导热基本定律及稳态导热
2-3 通过平壁,圆筒壁,球壳和其他变截面物体的导热 通过平壁,圆筒壁,
1 T 1 T T T (λr + 2 (λ ) + (λ ) + Φ = ρcp τ r r r) r z z d dt 简化变为 dr (r dr ) = 0 (2-25)
⒉ 通过圆筒壁的导热 由导热微分方程式(2—12)
⒉ 通过圆筒壁的导热 根据热阻的定义,通过整个圆筒壁的导热热阻为 (2-29) 29) 与分析多层平壁—样,运用串联热阻叠加的原则,可得通过图2-9所示的多层圆筒壁的 导热热流量 2πl(t1 t4 ) Φ= (2-30) ln( d2 / d1) / λ1 + ln( d3 / d2 ) / λ2 + ln( d4 / d3) / λ3 ⒊ 通过球壳的导热 导热系数为常数,无内热源的空心球壁.内,外半径为r1,r2,其内外表面均匀 恒定温度为t1,t2,球壁内的温度仅沿半径变化,等温面是同心球面. 由傅立叶定律得: dt 各同心球面上的热流率q不相等,而热流量Φ相等. Φ = 4πr2λ dr dr Φ 2 = 4πλdt r
的热传导微分方程:
T(r,τ ) τ ρc 当 λ = const 时, 2T(r,τ ) + Φ = p T(r,τ ) λ λ τ [λT(r,τ )] + g(r,τ ) = ρcp
2.5 导热基本定律与稳态导热
定向点O’: (δ +δ /Bi ,T∞)
当 Bi→∞ 时,意味着表面传热
系数 h →∞ (Bi=hδ/λ ),对流
换热热阻趋于0。平壁的表面温 度几乎从冷却过程一开始,就 立刻降到流体温度 T∞ 。 定向点O’就在平壁表面上
定向点O’: (δ +δ /Bi ,T∞)
当Bi→0时,意味着物体的热导 率很大、导热热阻→ 0
物体内部导热热阻 物体表面对流换热热阻
t=t0
六、傅里叶准则 Fo 对温度分布的影响
一维非稳定导热无量纲方程:
1 ∂T = ∂2T
a ∂τ ∂x2
引入无量纲参数: θ = T − T∞ ,
Ti − T∞
X=x
δ
FO
=
aτ δ2
∂θ ∂τ
=
a
δ2
∂2θ
∂X 2
∂θ = ∂2θ
∂⎜⎛ ⎝
aτ δ2
⎟⎞ ⎠
传热学
Heat transfer
张靖周
能源与动力学院
第三章
非稳态导热
3-1 非稳态导热的基本概念
一、现象和定义
自然界和工程上许多导热过程为非稳态,t = f(τ)
例如:冶金、热处理与热加工:工件被加热或冷却 锅炉、内燃机、燃气轮机等装置起动、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
越大
时间常数的进一步讨论
θ
− hA τ − τ
= e ρCV = e τ r
θ0
d (θ θ 0 ) =
dτ
−
1
τr
−τ
e τr
= − (θ θ 0 )
τr
τ → 0 的冷却速率:
传热学第二章导热基本定律及稳态导热 ppt课件
[1 ] ( q x q y q z)d x d y d zd x y z
[J]
傅里叶定律:
qx x t; t) y( y t) z( z t) d x d y d z d [J ]
2、微元体中内热源的发热量
确定热流密度的大小,应知道物体内的温度场:
tf(x, y, z, )
确定导热体内的温度分布是导热理论的首要任务 一、导热微分方程式
理论基础:傅里叶定律 + 热力学第一定律 假设:(1) 所研究的物体是各向同性的连续介质
(2) 热导率、比热容和密度均为已知 (3) 物体内具有内热源;强度 qv [W/m3];
合金:金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性,
干扰自由电子的运动
合金
纯金属
如常温下: 纯铜398w/m.0c
黄铜109w/m.0c 黄铜:70%Cu, 30%Zn
金属的加工过程也会造成晶格的缺陷
合金的导热:依靠自由电子的迁移和晶格的振动; 主要依靠后者
T
温度升高、晶格振动加强、导热增强
q g ra d t t i r t j1 r t k rsi1 n t
c t r 1 2 r (r 2 r t) r 2 s 1 in (s in t) r 2 s i 1 n 2 ( t) q v
导热微分方程式的不适应范围: 非傅里叶导热过程
除非压力很低或很高,在2.67*10-3MPa ~ 2.0*103MPa范围内, 气体的热导率基本不随压力变化
气体的温度升高时:气体分子运动速度和定容比热随T升高 而增大。 气体的热导率随温度升高而增大
混合气体热导率不能用部分求和的方法求;只能靠实验测定
分子质量小的气体(H2、He)热导率较大 — 分子运动速度高
传热学-第二章-导热基本定律及稳态导热
dQx qx dydz d
[J]
d 时间内、沿 x 轴方向、经 x+dx 表面导出的热量:
dQxdx qxdx dydz d [J]
ห้องสมุดไป่ตู้
qxdx
qx
qx x
dx
d 时间内、沿 x 轴方向导入与导出微元体净热量:
dQx
dQxdx
qx x
dxdydz d
气体的压力升高时:气体的密度增大、平均自由行程 减小、而两者的乘积保持不变。
除非压力很低或很高,在2.67*10-3MPa ~ 2.0*103MPa范围内, 气体的热导率基本不随压力变化
气体的温度升高时:气体分子运动速度和定容比热随T升高 而增大。 气体的热导率随温度升高而增大
混合气体热导率不能用部分求和的方法求;只能靠实验测定
热流密度矢量:等温面上某点,以通过该点处最大热流密度的
方向为方向、数值上正好等于沿该方向的热
流密度 q
直角坐标系中:
q
q
q qx i qy j qz k
q q cos
二、导热基本定律(Fourier’s law)
1822年,法国数学家傅里叶(Fourier)在实验研究基础上, 发现导热基本规律 —— 傅里叶定律
3、时间条件
说明在时间上导热过程进行的特点
x
y
z
直角坐标系:(Cartesian coordinates)
grad t t i t j t k
x
y
z
注:温度梯度是向量;正向朝着温度增加的方向
热流密度矢量 (Heat flux)
热流密度:单位时间、单位面积上所传递的热量;
第二章导热基本定律及稳态导热PPT课件
cw 1 说明热源与管子中心不重合。 由(a)、(b)可得:
将(c)代入(b)可得:
从而只能选正号,所以有: 等温线为一圆。
2 具有偏心空腔的圆柱体
由于是稳定导热,从而流过每一等温面的热流量是 相同的
对于等温面 1
y0
h2 h1
ε
对于等温面 2
热阻: 但h1和h2是未知的
下面用此方法求地下埋管与土壤间的导热量
有一热力管道,外径d=2r,
埋于地平面下h米深处。土 壤为均质且导热系数λ为常
数。管子表面温度及地表面
tf
y0
温度也是均匀的常量,为tW h 和tF,设管道很长,求单位 管道的热损失。
r” x
M
p(x,y)
r’
r
N y
因管道很长,从而可以看作是二维稳定导热
1项
2项
=控制体内内能的变化
3项
第一项 求沿x、y、z三个方向流入和流出的热量
把1、2、3项代入能量方程式
导温系数的物理意义:a越大,表明λ越大或ρC 越小,λ大,表示在相同的温度梯度下可以传 递更多的热量;ρC小表明温度上升1℃所吸收 的热量越小,从而可使相同的热量传递得更远 ,
物体内各点温度更快地随界面温度的升高而升 高。
三、利用“导热形状因子S”计 导热系数为算常数导,热无量内热源稳态导热体
内,两壁温度为定值,即有Q=λS(t1+t2)。
补充内容
稳定热传导的热源法 (虚拟热源法)
定义:如果一个物体有内热源作用时,我们可以通过
导热微分方程式和相应的单值性条件求温度分布。但 如果知道温度分布,我们反过来找导致这种温度分布 的原因—实际存在的热源或假想的热源。这种方法称 虚拟热源法或称映象法。
高等传热学_第二章_稳态导热
2-1 一维稳态导热
通过长圆筒壁(图2-2)的导热由傅里叶定律直接积分的方法。 若已知圆筒壁的内外壁面温度分别为t1和t2。注意到,圆筒壁的导
热面积在径向上是变化的,但单位长度上的总热流量ql(单位为 W/m)仍应是常量(不随r变化)。由傅里叶定律可得
分离变量并积分
ql
dt 2 r dr
x 0, x ,
并整理得到
t 0 t 0
(2-1-20)
代入以上得到的通解式(2-1-19),可以确定其中的两个任意常数,
qV t x( x) 2
(2-1-21)
2-1 一维稳态导热
如果给定两个表面的温度分别为t1和t2,即
t t1 x , t t 2 代入以上得到的通解式(2-1-19),可以确定其中的两个任意常数, 并整理得到
2-1 一维稳态导热
图2-1通过大平壁的导热
2-1 一维稳态导热
2-1-1 无内热源的一维导热 求解导热问题的一般思路是首先从导热微分方程和相应的定解条
件出发,解得温度场。 对于如图2-1所示的大平壁的稳态导热,已知两表面的温度分别为 t1和t2。导热微分方程简化为
其通解为
d 2t 0 2 dx
t
qv 2 r C1 ln r C2 4
(2-1-25)
2-1 一维稳态导热
r=0处温度应该有界,即 t
r 0
,可以作为一个边界条件,
由此可得C1=0。如果给定另一个边界条件是第一类边界条件, 即r=R,t=t1。代入通解可得
t t1
qv 2 2 (R r ) 4
种换热设备中,常在换热表面上增添一些肋, 以增大换热表面,达到减小换热热阻的目的。
传热学第二章--稳态导热精选全文
t
无内热源,λ为常数,并已知平 t1
壁的壁厚为,两个表面温度分别 维持均匀而恒定的温度t1和t2
t2
c t ( t ) Φ x x
d 2t dx2
0
o
x 0,
x ,
t t
t1 t2
x
直接积分,得:
dt dx
c1
t c1x c2
2024/11/6
35
带入边界条件:
c1
t2
t1
c t
1 r2
r 2
r
t r
1
r 2 sin
sin
t
r2
1
sin 2
t
Φ
2024/11/6
26
6 定解条件 导热微分方程式的理论基础:傅里叶定律+能 量守恒。 它描写物体的温度随时间和空间变化的关系; 没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。
完整数学描述:导热微分方程 + 单值性条件
4
2 等温面与等温线
①定义
等温面:温度场中同一瞬间同温度各点连成的 面。 等温线:在二维情况下等温面为一等温曲线。
t+Δt t
t-Δt
2024/11/6
5
②特点
t+Δt t
t-Δt
a) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交
b)在连续的温度场中,等温面或等温线不会中
止,它们或者是物体中完全封闭的曲面(曲
它反映了物质微观粒子传递热量的特性。
不同物质的导热性能不同:
固体 液体 气体
金属 非金属
金属 12~418 W (m C) 非金属 0.025 ~ 3W/(mC)
合金 纯金属
东南大学传热学 第二章 导热基本定律及稳态导热
本章重点讨论稳态导热问题。为此首先介绍 一些相关的基本知识,如温度场、温度剃度、 导热基本定律等;然后应用这些基本知识推 导出求解导热问题的微分方程;最后应用这 些微分方程求解常见的导热问题。
第一节 导热基本定律
温度场
• 定义:某一瞬间物体内的温度分布,称为温度场。 • 分类 1.按温度是否随时间而变化可分为 稳态温度场:物体内温度不随时间的变化而变化的温度场 非稳态温度场:物体内的温度随时间变化而变化的温度场 2.按温度随空间的变化可分为 一维温度场:温度只在一个方向有变化的温度场 二维温度场:温度在两个方向有变化的温度场 三维温度场:温度在三个方向有变化的温度场 • 表示:三种表示方法
n x y z
导热基本定律
• 傅立叶定律:单位时间内通过单位截面积所传 递的热量,正比例于当地垂直于截面方向上的 温度变化率,即温度剃度,其比例系数为导热 系数。
• 表示型式: A t n
n
导热系数
•
定义:
q
t n
n
• 物理意义:单位时间单位面积当温度变化率为1时,由导
热所传递的热量
• 影响因素:主要是物质的种类和物质所处的状态
第三节 通过平壁、圆筒壁、球壳和 其他变截面物体的导热
通过 平壁导热
通过 圆筒壁导热
通过 球壳导热
通过变导热 系数物体 的导热
单层平壁 多层平壁 单层圆筒壁 多层圆筒壁 单层球壳 多层球壳
通过单层平壁的导热
通过单层 平壁的导热
物理模型
数学描写
温度分布
热流量计算
数学描写
d 2t dx2 x
数学描写
温度分布
热流量计算
物理模型
传热学第四版课件23第二章导热基本定律及稳态导热
b 2
602
)
c1
0.01
c2
0 (40
b 2
402
)
c1
0.02
c2
可否用
长江大学机械工程学院
School of Mechanical Engineering
0 0.892
b 0.009
一、通过平壁的稳态导热
长江大学机械工程学院
School of Mechanical Engineering
长江大学机械工程学院
School of Mechanical Engineering
➢第一类边界条件(
(0 1
bt))
无内热源,平壁厚δ
t
数学描述:
d(
dx
dt dx
)
0
x
0,
t t1
x , t t2
t1 t2
(0 1 bt) 0、b 为常数
o x
d(
dx
dt ) dx
0
dt dx
积分得:
0 (1
bt)
dt dx
c1
再次积分得:0
(t
1 2
bt
2
)
c1
x
c2
q
dt dx
0 (1 bt)
dt dx
c1
1000
代入边界条件:
x=0处,t=100℃; x=10mm = 0.01m处,t =60℃; x=20mm = 0.02m处,t =40℃
0
(100
b 2
1002
)
c2
0 (60
d2t dx2
0
q w1 q w2
q
hh((12twtt2fw12--ttwtwf112))( (twtt1wf 12--tttwwf212))11//hh12
《传热学》第2章-稳态导热
控制方程
边界条件
x , t tw 2
t
dt 1 2 0 ( 1 bt ) c1 0 ( t bt ) c1 x c2 tw1 dx 2
代入边界条件,得:
1 1 2 2 ( t bt ) c 0 c , ( t bt 1 2 0 w2 w 2 ) c1 c 2 0 w1 2 w1 2 1 2 c ( t bt 2 0 w1 w1 ) 2 t w1 t w 2 1 c [ 1 b( t w1 t w 2 )] 0 1 2
tw 2 tw3
2
tw3 tw4
3
tw1 tw4 tw1 tw4 3 相加可得: q R ,1 R ,2 R ,3 R ,i
i 1
例2-1:有一锅炉炉墙,三层,内层为230mm的耐火 砖层,中间为50mm厚的保温层,外层为240mm的 红砖层,导热系数分别为1.10 W/(m.K) ,0.072 W/(m.K) ,0.58W/(m.K),已知炉墙内外表面温度 为500℃与50℃,求炉墙的导热热流密度和红砖墙的 最高温度。
第二章 稳态导热
Steady-State Conduction —— One Dimension
主要内容
掌握稳态导热。
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6
通过平壁的导热 通过复合平壁的导热 通过圆筒壁的导热 具有内热源的平壁导热 通过肋片的导热 通过接触面的导热
对各层直接应用单层大平壁的热量计算式 tw1 tw 2 tw1 tw 2 第一层平壁 : q1 , 变换 : q1 R ,1 t w1 t w 2 1 R ,1
传热学 第二章 导热基本定律和稳态导热..
College of Energy & Power Engineering
2.2 导热的基本定律
导热的基本计算公式:
导热量: A 热流密度: q
A
tw1 tw 2
W
W / m2
t
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数学描述:
t q n gradt n
0
100 ·60 40
20 x /mm
10
b 9.09 10 , 0 0.9166
3
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2.4 导热微分方程和定解条件
t q n
2.4.1 导热微分方程
t n
t f x, y, z,
一维稳态温度场 :
t f x
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2.1.2 等温面(线)
等温面:某一瞬间温度场中具有相同温度值的点组
成的面,它可以是平面也可以是曲面。 等温线:等温面与某一平面相交所得的该平面上的一 簇交线。
College of Energy & Power Engineering
恒定加热 的电阻丝
现在我们在物体内部任取一个微元六面体
( dV dx.dy.dz),它的三边分别平行于x、y和z轴。
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根据能量守恒定律 : 导入导出微元体的净热量
+
微元体中内热源的发热量
微元体内能的增量
传热学-第二章导热基本定律及稳态传热
d 时间X方向流入与流出微元体的热流量
dQx
- dQxdx
- qx x
dxdydz d
( t ) dxdydz d
x x
d 时间Y方向流入与流出微元体的热流量
dQy
- dQydy
- q y y
dy dxdz d
y
( t ) dxdydz d
y
2.4 导热微分方程及定解条件
影响热导率的因素:物质的种类、材料成分、温度、压力及 密度等。
2.3 导热系数
2.3.1 气体导热系数
气体导热——由于分子的无规则热运动以及分子间 的相互碰撞
1 3
vlcv
v 3RT M
V 气体分子运动的均方根 m/s L 气体分子两次碰撞之间的平均自由程 m
Cv气体的定容比热 J/kg·℃
2.3 导热系数
2.4 导热微分方程及定解条件
建立数学模型的目的:
求解温度场 t f x, y, z,
步骤: 1)根据物体的形状选择坐标系, 选取物体中的 微元体作为研究对象; 2)根据能量守恒, 建立微元体的热平衡方程式; 3)根据傅里叶定律及已知条件, 对热平衡方程式 进行归纳、整理,最后得出导热微分方程式。
通过某一微元面积dA的热流:
dA q
d
q dA
t
n
dA
t
dydz
t
dxdz
t
பைடு நூலகம்
dxdy
n
x
y
z
2.2导热的基本定律
例:判断各边界面的热流方向
2.3 导热系数
由傅里叶定律可得,导热系数数学定义的具体形式为:
q t n
热力学--导热基本定律及稳态导热 ppt课件
(5) 对于各向异性物体 , 导热系数的数值与方向有关 ;
温度对导热系数的影响:
一般地说 , 所有物质 的 导热系数 都是温度的函 数 , 不同物质的热导率随 温度的变化规律不同。 纯金属的 导 热 系 数 随 温度的升高而减小。 一般合金和非金属的 导热系数 随温度的升高而 增大。
大多数液体(水和 甘油除外)的导热系数 随温度的升高而减小。
第二章 导热基本定律及稳态导热
研究方法:
从连续介质的假设出发、从宏观的角度 来讨论导热热流量与物体温度分布及其他影 响因素之间的关系。
一般情况下,绝大多数固体、液体及气 体都可以看作连续介质。但是当分子的平均 自由行程与物体的宏观尺寸相比不能忽略时, 如压力降低到一定程度的稀薄气体,就不能 认为是连续介质。
导热数学模型的组成: 导热微分方程式+单值性条件
1. 导热微分方程式的导出
依据:能量守恒和傅里叶定律。 假设: 1)物体由各向同性的连续介质组成; 2 )有内热源,强度为V ,表示单位时间、单 位体积内的生成热,单位为W/m3 。
步骤: 1)根据物体的形状选择坐标系 , 选取物体中的 微元体作为研究对象; 2)根据能量守恒, 建立微元体的热平衡方程式; 3)根据傅里叶定律及已知条件 , 对热平衡方程 式进行归纳、整理,最后得出导热微分方程式。
等温面与等温线的特征:
同一时刻,物体中温度不同的等温面或等温线不能 相交; 在连续介质的假设条件下,等温面(或等温线)或 者在物体中构成封闭的曲面(或曲线),或者终止于物 体的边界,不可能在物体中中断。
(3)温度梯度
在温度场中,温度沿 x 方 向的变化率(即偏导数)
t t lim x x
典型材料导热系数的数值范围
传热学第二章
刘彦丰华北电力大学工程应用的两个基本目的:•能准确地预测所研究系统中的温度分布;•能准确地计算所研究问题中传递的热流。
要解决的问题:温度分布如何描述和表示?温度分布和导热的热流存在什么关系?如何得到导热体内部的温度分布?第二章导热基本定律及稳态导热刘彦丰华北电力大学本章内容简介2-1 导热基本定律2-2 导热微分方程式及定解条件2-3 通过平壁、圆筒壁、球壳和其它变截面物体的导热(一维稳态导热)2-4 通过肋片的导热分析2-5 具有内热源的导热及多维导热回答问题1和2回答问题3具体的稳态导热问题刘彦丰传热学Heat Transfer 华北电力大学一、温度分布的描述和表示像重力场、速度场等一样,物体中的温度分布称为温度场。
1、温度分布的文字描述和数学表示,如:在直角坐标系中非稳态温度场),,,(τz y x f t =稳态温度场),,(z y x f t =一维温度场二维温度场三维温度场)(x f t =),(τx f t =),(y x f t =),,(τy x f t =),,(z y x f t =),,,(τz y x f t =2-1 导热基本定律刘彦丰传热学Heat Transfer华北电力大学2、温度分布的图示法传热学Heat Transfer 2、温度分布的图示法等温线传热学Heat Transfer二、导热基本定律(傅立叶定律)1822年,法国数学家傅里叶(Fourier )在实验研究基础上,发现导热基本规律——傅里叶定律.法国数学家Fourier: 法国拿破仑时代的高级官员。
曾于1798-1801追随拿破仑去埃及。
后期致力于传热理论,1807年提交了234页的论文,但直到1822年才出版。
刘彦丰华北电力大学在导热现象中,单位时间内通过给定截面的热量,正比于垂直于该截面方向上的温度梯度和截面面积,方向与温度梯度相反。
1、导热基本定律的文字表达:nntgradt q ∂∂−=−=λλ2、导热基本定律的数学表达:t+Δt tt-Δt刘彦丰华北电力大学3、意义已知物体内部的温度分布后,则由该定律求得各点的热流密度或热流量。
传热学 第二章 导热基本定律及稳态导热
d x d x d xdx
qxdydz qxdxdydz
qx dxdydz x
q xdx
qx
q x x
dx
2qx x 2
dx 2 2!
0
qx
qx x
dx
2-2 导热微分方程
d = dx + dy + dz
2. 导热问题的数学理模型
t
❖ x方向净导入微元体的热量为: qx x
d x d x d xdx qx dxdydz
x2 y 2 z 2
当导热系数为常数时:
拉普拉斯算子
t
c
ห้องสมุดไป่ตู้
2t x 2
2t y 2
2t z 2
c
t a 2t
c
a c
热扩散率表征物体被 加热或冷却,物体内 各部分温度趋向于均 匀一致的能力.
❖ 物体无内热源: t a 2t
❖ 稳态导热: a 2t 0 c
❖ 稳态导热、无内热源:
增加的方向。
gradt t n n
等温面法线方向 的单位矢量
在直角坐标系中的温度梯度:
gradt t i t j t k x y z
i、j、k 分别为x、y、z方向的单位矢量。
2.1 导热基本概念
四、热流密度矢量
热流密度:单位时间、单位面积上所传递的热量;
q—W/m2
不同方向上的热流密度的大小不同;
x
同理,
d x
x
t x
dx dydz
d y
y
t y
dxdydz
单位时间内净导入微元体的热流量:
d z
t dxdydz z z
d
传热学-2 导热基本定律和稳态导热
2-2 导热微分方程和定解条件
2 圆柱坐标系中的导热微分方程:
c t
1 r
(r
r
t ) r
1 r2
(
t ) ( z
t ) & z
3 球坐标系中的导热微分方程:
2-2 导热微分方程和定解条件
1 笛卡尔坐标系中微元平行六面体
热力学第一定律(能量守恒定律):
W 0
d V U W U z
单位时间内微元体中: [导入+导出净热量] + [内热源发热量] = [热力学能的增加]
y
zdz
x
dz
dx
y
z
ydy xdx
dy x
2-2 导热微分方程和定解条件
tw1
Φ
tw2
R 1 ln d2 2l d1
2-3 一维稳态导热
第一次积分
r
dt dr
c1
t c1㏑r c2
tw1 c1㏑r1 c2;
tw2 c1㏑r2 c2
第二次积分 应用边界条件
c1
tw2 tw1
㏑r2 / r1
;
c2
tw1
tw2
tw1
㏑r1
㏑r2 / r1
获得两 个系数
t
t1
注意:①上式对稳态和非稳n态均使用; ②导热现象依 gradt 的存在而存在, 若 gradt=0,则 q=0; ③“-”不能少,“-”表示 q与 gradt 方向相
反, 若无,则违反热二定律。
2-1 导热基本定律和热导率
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对于一维导热问题,也可以不 通过求解微分方程而直接应用傅里 叶定律得出导热热流量的计算式, 而且对于变导热系数和变截面的情 形更为有效。
二、示例
x2
x1
x
耐温塞子的直径随 x 变化,D ax
求解三维、二维问题较复杂;将问题进行简化:
(1) 大、 <<H,认为温度沿厚度变化很小; (2)宽度 l >>,认为肋片温度只沿高度方向变化
简化为一维温度场
方法1:根据导热微分方程
三维、非稳态、变物性、有内热源的导热微 分方程:
c T
( T ) (
x x y
T ) (
y z
T z
)
qv
T0
T
c、更换套管材料16W/(mK);
l
d、若气流与套管之间的对流
换热系数10W/(m2K) ;
Tf
Tj
e、若在安装套管的壁面处包以热绝缘层以减小热量的导出,
此时套管根部温度=600℃。
一维稳态有内热源的导热微分方程:
d dx
(
dT dx
) qv
0
d 2T dx 2
qv
0
是否可以构造一个内热源?
微元体:截面积A, 周长P,换热面积
Pdx
qv
C dV
h(T Tf )Pdx Adx
h(T Tf )P A
d 2T dx2
hP (T
A
T ) 0
方法2:根据能量守恒
Tf1 Tf 2
1 1
h1 h2
整个肋表面的温度与基础面温度相等,即肋 片效率等于1。
过高地估计了肋化增强传热的作用
引入肋片效率和肋壁效率的概念
• 2、肋壁效率
•A0 — 肋间面积
•Af — 肋片面积
• 平壁右侧总面积:
A2 A0 Af
• 假设:传热过程处于稳态
h1A1(Tf 1 Tw1) [W] A1(Tw1 Tw2) [W]
第二章
导热基本定律及 稳态导热
Foundation of Heat Conduction &
Steady Conduction
上一讲要点回顾
理论解析的基本思路
简化
物理问题
数学模型
求解
热流量
温度场
导热定律
控制方程 定解条件
q -grad T [W m2 ]
积分解的基本过程
2-6 变截面导热问题
一、问题的引出
A2
A1
q
A1
1
Tf1 Tf 2
1
h1 h2 ( A2 / A1)
q
Tf1 Tf 2
1 1
h1 h2
肋化系数越大:传热热阻越小,传热系数越大
肋化系数增大的途径:
(1) 采用薄肋,缩小肋间距, 增加肋数目
(2) 采用长肋,扩大每一肋片 的表面面积
问题:上述结论是在什么前提下得到的? 有什么不妥之处?
(a为常数),在小头处温度为T1, 在的大头处温度为T2,材料导热 系数为常数。假设侧表面是理想
绝热的,试求塞子内的温度分布,
及通过塞子的热流量。
利用傅里叶定律:
Φ A(x) dT a2x2 dT
dx
4 dx
分离变量并积分
4Φ
a 2
xx1
1 x2
dx
TT1 dT
得到
T
T1
4Φ
a 2
1 x1
• 二、等截面直肋的稳态导热
已知:
(1)等截面直肋 (2)肋根温度T0,且T0>T∞ (3)肋片与周围流体的对流换热系数h (4)λ,h和截面积Ac不变 求:肋片的温度场和通过肋片的热流量
1、数学模型
严格地说,肋片中的温度 场是三维的。其温度分布取
决于内部x、y、z三个方向的
导热热阻以及表面与流体之 间的对流换热热阻。
加到一定程度,再继续增加 H f
th(mH )
f
mH
m hP
A
mH 的数值较小时, f 较
高。在高度H一定时,较
小的 m 有利于提高 f
肋片应选用热导率较大的材料;当 和 h 都给定时 m
随P/A的降低而增大。P/A取决于肋片几何形状和尺寸
f >80%的肋片经济实用
变截面肋片:保持散热量基本不变并减轻肋片重量、 节省材料
• 平壁右侧总面积:
A2 A0 Af
1、肋化系数 假设:整个肋表面的温度与基础面温度相等, 即肋片效率等于1。
h1A1(Tf 1 Tw1) [W]
A1(Tw1 Tw2) [W]
h2 A2 (Tw2 Tf 2 ) [W]
Tf1 Tf 2
1 1
h1A1 A1 h2 A2
肋化系数:加肋表面与光侧表面表面积之比
d 2T dx2
hP A
T Tf
0
从物理意义上分析,肋片通过周边表面与周围流
体之间进行的热量交换 (C 相当于肋片吸热或放热) 相当于内热源的作用
qv
C dV
h(T
Tf )Pdx Adx
h(T
Tf A
)P
式中暗示了肋片对流体是放热的。根据内热源的
定义,吸热为正,故负号的出现是有明确的物理概
l
微元体:截面积A, 周长P,换热面积 Pdx
[P 2(l ), A l ]
热平衡方程:
x xdx c
x
A
dT dx
c hPdx (T T )
xdx
x
d x dx
dx
A dT
dx
d dx
(A
dT dx
)dx
导热微分方程:(假设 与A为定值)
d 2T dx2
hP (T
A
T )
0
边界条件: x 0, T T0 x H, - dT 0 dx H
1
2
由边界条件,得到
c1
0
emH emH emH
;
c2
0
emH emH emH
等截面直肋内的温度分布:
e e m(Hx)
m( H x )
ch[m(H x)]
e e 0
mH
mH
0 ch(mH )
ch[m(H x)]
0 ch(mH )
肋端的过余温度:
1
H 0 ch(mH )
肋片散热量的计算方法:
(1)由图线或计算公式得到 f (2)计算出理想情况下的散热量 0=hPH(T0- T) (3)由式 = f 0 计算出实际散热量
设计肋片:选择形状、计算;考虑质量、制造的难 易程度、价格、空间位置的限制等
研究性学习 ☺
对于肋壁,传热方程的表达式推导
T Tf1
Tw1
Q
Aff
Af
f
1
Tf1 Tf 2
1
k1A1 Tf 1 Tf 2
h1A1 A1 h2t A1
k1
1
1
1
— 以光壁面面积为 基准的传热系数
h1 h2t
• 热阻图:
肋片导热在航空发动机中的应用
实心涡轮叶片
叶片端面
叶片根部
例题2-5
用热电偶测量管道内的气流温度。已知热接点温度=650℃,
三、肋片效率 从散热的角度评价加装肋片后换热效果
肋片效率:肋片的实际散热量 与假定整个肋片表 面都处在肋基温度T0时的理想散热量 0 的比值
f
0
hPH (Tm T ) hPH (T0 T )
Hale Waihona Puke m 1 0Tm T0时, f 1 — 相当于热导率 的情况
f
0
hPH (Tm T ) hPH (T0 T )
m 1 0
m
1 H
H
dx
0
1 H
H
0
0
ch[m(H x)] ch(mH )
dx
0
mH
th(mH )
th(mH )
f
mH
th(mH)的数值随mH的增
加而趋于一定值(mH 3)
hPA0 th(mH)
th(mH )
f
mH
m hP
A
当m数值一定时,随着肋片高度H增加,先迅速增大,
但逐渐增量越来越小,最后趋于一定值。说明:当H增
1
H
ch(mH )
0
肋片表面的散热量:
稳态条件下肋片表面的散热量=通过肋基导入肋片的热量
Φ
A d
dx
x0
A0m th(mH)
hPA0 th(mH)
ch(mH ) emH emH ; th(mH ) emH emH
2
e e mH
mH
双曲余弦函数
双曲正切函数
几点说明:
(1)上述推导中忽略了 肋端的散热(认为肋端绝 热)。对于一般工程计算, 尤其高而薄的肋片,足够 精确。若必须考虑肋端散
1 x
由x=x2的边界条件,确定
温度分布
Φ a2(T1 T2 )
4(1 x1 1 x2 )
T
T1
1 1
x x1
1 1
x1 x2
(T1
T2)
2-8 通过肋壁的导热
一、问题的提出
第三类边界条件下通过平壁的一维 稳态导热---传热过程
Tf1 Tf 2
1 1
W
h1A A h2 A
为了增加传热量,可以采取哪些措施?
念的
2、微分方程求解
d 2T dx2
hP
A
(T
T )