一维稳态和非稳态导热.ppt
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1、,内容结构,1 稳态导热,2 非稳态导热,(1)定义及分类 (2)温度变化的不同阶段 (3)温度分布和热量变化 (4)学习非稳态导热的目的 (5)两个相似准数,(1)概述 (2)单层平壁的导热 (3)多层平壁的导热 (4)关于平壁的例题 (5)单层圆筒壁的导热 (6)N层圆筒壁的导热 (7)临界绝热层直径 (8)关于圆筒壁的例题,3 薄材的非稳态导热,(1)定义 (2)温度分布 (3)热流量 (4)集总参数法的应用条件 (5)例题,4 半无限大的物体,(1)概念 (2)求解过程 (3)例题,(1)求解 (2)查图 (3)例题,5 有限厚物体的一维非稳态导热,1 稳态导热(1)概述,研究内容:研
2、究固体中的导热问题,重点是确定物体中的温度场和通过物体的导热速率。 求解思路:一般来说,对于固体 因此,分析导热,先用导热微分方程求得温度场,然后利于傅立叶定律求得导热速率,温度场,固体中温度场,导热速率,热量传输微分方程,固体导热微分方程,傅立叶定律,1 稳态导热(1)概述,求解方法:通过导热微分方程求解 直角坐标系: 柱坐标系: 球坐标系: 求解导热微分方程的方法:(1)分析解法; (2)数值解法。,1 稳态导热(2)单层平壁的导热,几何条件:单层平板; ;物理条件:、c、 ; 时间条件:稳态导热, t/=0; 边界条件:第一类。且已知;无内热源。 由此可得: 直接积分: 第一类边界条件:
3、,控制方程,边界条件,1 稳态导热(2)单层平壁的导热,将边界条件带入控制方程可得: 将结果带入微分方程,可以得到下面的单层平壁的导热方程式。 热阻分析法适用于一维、稳态、无内热源的情况,1 稳态导热(3)多层平壁的导热,多层平壁:由几层不同材料组成, 房屋的墙壁白灰内层、水泥沙浆 层、红砖(青砖)主体层等组成; 假设各层之间接触良好,可以近似 地认为接合面上各处的温度相等;,边界 条件:,热阻:,1 稳态导热(3)多层平壁的导热,问:如已经知道了q,如何计算其 中第i 层的右侧壁温?,由热阻分析法得:,多层、第三类边条件:,1 稳态导热(4)关于平壁的例题,例题3:图为具有内热源并均匀分布的
4、平壁,壁厚为2s。假定平壁的长宽远大于壁厚,平壁两表面温度为恒温tw,内热源强度为qv,平壁材料的导热系数为常数。试求稳态导热时,平壁内的温度分布和中心温度。 解:因平壁的长、宽远大于厚度,故此平壁的导热可认为是一维稳态导热,这时导热微分方程式可简化为:,相应的边界条件为:x=s时,t=tw x=-s时, t=tw,可见,该条件下平壁内温度是按抛物线规律分布。令温度分布关系式中的x=0,则得平壁中心温度为:,求解上述微分方程,得:,式中积分常数C1和C2可由边界条件确定,它们分别为:,所以,平壁内温度分布为:,1 稳态导热(4)关于平壁的例题,1 稳态导热(4)关于平壁的例题,例题4:炉墙内层
5、为粘土砖,外层为硅藻土砖,它们的厚度分别为s1=460mm;s2=230mm,导热系数分别为:1=0.7+0.6410-3t W/m;2=0.14+0.1210-3t W/m。炉墙两侧表面温度各为t1=1400;t3=100,求稳态时通过炉墙的导热通量和两层砖交界处的温度。 解:按试算法,假定交界面温度为t2=900,计算每层砖的导热系数,计算通过炉墙的热通量和界面温度分别为:,将求出的t2与原假设的t2相比较,若两者相差甚大,需重新计算。重设t2=1120,计算的方法同上,中间过程略去,可以得到:,t2与第二次假设的温度值很相近,故第二次求得的q和t2即为所求的计算结果。,1 稳态导热(4)
6、关于平壁的例题,计算假设单管长度为l,圆筒壁的外半径小 于长度的1/10。圆柱坐标系: 一维、稳态、无内热源、常物性,可得下面 的方程,考虑第一类边界条件:,1 稳态导热(5)单层圆筒壁的导热,第一类边界条件:,可得方程:,1 稳态导热(5)单层圆筒壁的导热,应用边界条件:,对该方程积分两次得:,求得系数:,带入第二次积分结果得圆筒壁内温度分布:,圆筒壁内温度分布曲线的形状: 圆筒壁内部的热流密度和热流分布 情况:,1 稳态导热(5)单层圆筒壁的导热,虽然稳态情况,但热流密度 q 与半 径 r 成反比! 长度为l的圆筒壁的导热热阻:,1 稳态导热(5)单层圆筒壁的导热,1 稳态导热(6)N层圆
7、筒壁的导热,不同材料构成的多层圆筒壁,其导 热热流量可按总温差和总热阻计算 通过单位长度圆筒壁的热流量,分别考虑单层圆筒壁,第三类边界条件, 稳态导热,单位长度热阻,1 稳态导热(6)N层圆筒壁的导热,由单层圆筒壁考虑多 层圆筒壁,见左公式,对于平壁 在平壁上敷上绝热层后,热阻: 对于圆筒壁 在管道外敷上绝热层后,热阻: 讨论: (1)对于平壁,敷上绝热层后,热阻增加,散热量减少; (2)对于圆筒壁,当管道和绝热材料选定后,RL仅是dx(绝热层外径)的函数。当dx增大时, 增大, 减小,总热阻的情况比较复杂。,1 稳态导热(7)临界绝热层直径,当管道和绝热材料选定后,RL仅是dx(绝热层外径)
8、的函数。求极值: 将RL对dx求导,并令其等于0。,1 稳态导热(7)临界绝热层直径,1 稳态导热(7)临界绝热层直径,继续求RL对dx的二阶导数,可得: 说明dc为是总热阻的极小值,即此时热损失最大。,说明: (1)管道外径d2dc,则增加绝热层,可以减小热损失。,1 稳态导热(8)关于圆筒壁的例题,例题5:有一半径为R,具有均匀内热源、导热系数为常数的长圆柱体。假定圆柱体表面温度为tw,内热源强度为qv,圆柱体足够长,可以认为温度仅沿径向变化,试求稳态导热时圆柱体内温度分布。 解:对于一维稳态导热,柱坐标系的导热微分方程简化得到,即:,两个边界条件中:一个为r=R时,t=tw,由于内热源均
9、匀分布,圆柱体表面温度均为tw,圆柱体内温度分布对称于中心线,另一个边界条件可表示为r=0时,dt/dr=0。将微分方程分离变量后两次积分,结果为 根据边界条件,在r=0时, dt/dr=0。可得C1=0;利用另一个边界条件,在r=R时,t=tw,可得,1 稳态导热(8)关于圆筒壁的例题,圆柱体内温度分布,1 稳态导热(8)关于圆筒壁的例题,例题6:高炉热风管道由四层组成:最内层为粘土砖,中间依次为硅藻土砖和石棉板,最外层为钢板。厚度分别为(mm):s1=115;s2=230;s3=10;s4=10,导热系数分别为(W/m):1=1.3;2=0.18;3=0.22;4=52。热风管道内径d1=
10、1m,热风平均温度为1000 ,与内壁的给热系数1=31 W/m2,周围空气温度为20,与风管外表面间的给热系数为10.5 W/m2,试求每米热风管长的热损失。,1 稳态导热(8)关于圆筒壁的例题,解:已知d1=1m;d2=d1+2s1=1+0.23=1.23m;d3=d2+2s2=1.23+0.46=1.69m; d4=d3+2s3=1.69+0.02=1.71m; d5=d4+2s4=1.71+0.02=1.73m。 tf1=1000;tf2=20 可求出每米管长的热损失为:,1 稳态导热(8)关于圆筒壁的例题,例题7:热介质在外径为d2=25mm的管内流动,为减少热损失,在管外敷设绝热层
11、,试问下列二种绝热材料中选用哪一种合适:(1)石棉制品,=0.14 W/m;(2)矿渣棉,=0.058 W/m。假定绝热层外表面与周围空气之间的给热系数2=9 W/m2 。 解:计算石棉制品和矿渣棉临界绝热层直径分别为 上述条件下用石棉制品作绝热层时,因d石棉d矿热棉,敷设绝热层,热损失将增加,故不合适。而用矿渣棉作绝热层时,d石棉d矿热棉,所以是合适的。,小 结,导热微分方程、傅立叶定律在求解一维稳态导热问题的应用。 对于没有内热源的情况: 对于一维平壁: 单层:温度分布;热通量; 单位面积热阻:(1)导热热阻S/; (2)对流给热热阻1/ 多层:温度分布;热通量;界面温度的求解; 单位面积
12、热阻:(1)导热热阻 (2)对流给热热阻1/ ,小 结,对于一维圆筒壁: 单层:温度分布;热流量; 单位长度热阻:(1)导热热阻 (2)对流给热热阻 多层:温度分布;热流量;界面温度的求解; 单位长度热阻:(1)导热热阻 (2)对流给热热阻 对于有内热源的情况: 温度分布,热通量或热流量均不为常数 热阻分析法的适用范围:一维、稳态、无内热源的情况。 临界绝热层:,内容结构,2 非稳态导热,(1)定义及分类 (2)温度变化的不同阶段 (3)温度分布和热量变化 (4)学习非稳态导热的目的 (5)两个相似准数,3 薄材的非稳态导热,(1)定义 (2)温度分布 (3)热流量 (4)集总参数法的应用条件
13、 (5)例题,4 半无限大的物体,(1)求解 (2)查图 (3)例题,1 稳态导热,(1)概述 (2)单层平壁的导热 (3)多层平壁的导热 (4)关于平壁的例题 (5)单层圆筒壁的导热 (6)N层圆筒壁的导热 (7)关于圆筒壁的例题,(1)概念 (2)求解过程 (3)例题,5 有限厚物体的一维非稳态导热,2 非稳态导热(1) 定义及分类,非稳态:t=f(r,) 非稳态的分类: 周期性非稳态导热,即物体的温度随时间而作周期性的变化; 瞬态非稳态导热,物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。 着重讨论瞬态非稳态导热。,2 非稳态导热(2) 温度变化和不同阶段,温度变化:随时间变化。 两个不同的阶
14、段: 非正规状况阶段(不规则情况阶段)温度分布主要受初始温度分布控制; 正规状况阶段(正常情况阶段) 温度分布主要取决于边界条件及物性。 导热过程的三个阶段:非正规状况阶段(起始阶段)、正规状况阶段、新的稳态。,2 非稳态导热(3) 温度分布和热量变化,非稳态导热的温度分布 非稳态导热的热量变化,1板左侧导入的热流量 2板右侧导出的热流量,2 非稳态导热(4) 学习非稳态导热的目的,温度分布和热流量分布随时间和空间的变化规律 非稳态导热的导热微分方程式 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; 数值解法:有限差分
15、法、蒙特卡洛法、有限元法、分子动力学模拟;,2 非稳态导热(5) 两个相似准数,影响物体温度变化速度的热物性参数有、cp、a等。主要的准数有:傅立叶准数和毕渥准数。 傅立叶数: 分母表示边界上发生的热扰动扩散到s2面积上所需的时间。Fo越大,热扰动就能越深入地传播到物体内部,因而,物体各点的温度就越接近周围介质的温度。 傅立叶数反映了无量纲的时间对非稳态导热的影响。对于稳态导热,Fo没有意义。,2 非稳态导热(5) 两个相似准数,毕渥准数是非稳态导热中另外一个非常重要的准数。 问题的分析(以第三类边界条件为重点) 如图所示,存在两个换热环节: a. 流体与物体表面的对流换热环节,rh=1/h;
16、 b. 物体内部的导热r=/; 毕渥数的定义: Bi数对温度分布的影响:,当Bi 时,rrh,因此,可以忽略对流换热热阻; 当Bi0 时, rrh,因此,可以忽略导热热阻。,Bi 准数对无限大平壁温度分布的影响,由于面积热阻与导热热阻的相对大小的不同,平板中温度场的变化会出现以下三种情形:,2 非稳态导热(5) 两个相似准数,当1/h /,Bi,这时,由于表面对流换热热阻1/h几乎可以忽略,因而过程一开始平板的表面温度就被冷却到t。并随着时间的推移,整体地下降,逐渐趋近于t 。,当/1/h,Bi0,这时,平板内部导热热阻/几乎可以忽略,因而任一时刻平板中各点的温度接近均匀,并随着时间的推移,整
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- 关 键 词:
- 稳态 以及 导热
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