非稳态导热讲解

1传热学HeatTransfer第三章非稳态导热2第三章非稳态导热3-1非稳态导热基本概念3-2集总参数法的简化分析3-3一维非稳态导热的分析解3-4二维及三维非稳态导热问题的求解3-5半无限大物体的非稳态导热33-1非稳态导热的基本概念1非稳态导热的定义.2非稳态导热的分类周期性非稳态导热(定义及特点)瞬态非稳态导热(定义及特点)),(rft物体温度随时间而变化的导热过程。物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值。物体的温度随时间而作周期性的变化。4t1t001234着重讨论瞬态非稳态导热3温度分布：▲非稳态导热的基本概念54两个不同的阶段非正规状况阶段(不规则情况阶段)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温度分布主要受初始温度分布控制非正规状况阶段（起始阶段）、正规状况阶段、新的稳态导热过程的三个阶段▲非稳态导热的基本概念65热量变化Φ1－－板左侧导入的热流量、Φ2－－板右侧导出的热流量▲非稳态导热的基本概念7(1)温度分布和热流量分布随时间和空间的变化规律(2)非稳态导热的导热微分方程式：(3)求解方法：分析解法、近似分析法、数值解法);),,,(f(Φzyxft)()()(ztzytyxtxtc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：有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、分子动力学模拟▲非稳态导热的基本概念6学习非稳态导热的目的：87毕渥数本章以第三类边界条件为重点。(1)问题的分析如图所示，存在两个换热环节：tfhtfhxt0ßtfhxt0a流体与物体表面的对流换热环节b物体内部的导热hrh1rhhrrBih1(2)毕渥数的定义：▲非稳态导热的基本概念hhrrBih1无量纲数当时，，因此，可以忽略对流换热热阻当时，，因此，可以忽略导热热阻Bihrr0BihrrBi0？？(3)Bi数对温度分布的影响▲非稳态导热的基本概念10Bi准则对温度分布的影响tiBiB00Bi1223121201010000tt0tt0ttBi准则对无限大平壁温度分布的影响▲非稳态导热的基本概念11(4)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。因此，这样的无量纲数又被称为特征数，或者准则数，比如，毕渥数又称毕渥准则。以后会陆续遇到许多类似的准则数。特征数涉及到的几何尺度称为特征长度，一般用符号l表示。对于一个特征数，应该掌握其定义式＋物理意义，以及定义式中各个参数的意义。▲非稳态导热的基本概念123-2集总参数法的简化分析1定义：忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。此时，，温度分布只与时间有关，即，与空间位置无关，因此，也称为零维问题。0Bi)(ft2温度分布如图所示，任意形状的物体，参数均为已知。00tt时，t将其突然置于温度恒为的流体中。13当物体被冷却时（tt）,由能量守恒可知ddtVctthA-)(dVchAd方程式改写为：过余温度—令：tt，则有00)0(-ttddVchA初始条件控制方程▲集总参数法的简化分析00dVchAdVchAln0dVchAd积分VchAetttt00过余温度比其中的指数：vvFoBiAVaAVhcVAAhVcVhA222)()(▲集总参数法的简化分析152)()(AVaFoAVhBivvvFo是傅立叶数vvFoBiVchAee0物体中的温度呈指数分布方程中指数的量纲：2233Wm1mKkgJkg[m]KmhAwVcJs▲集总参数法的简化分析16%8.3610e即与的量纲相同，当时，则1hAVc1VchA此时，上式表明：当传热时间等于时，物体的过余温度已经达到了初始过余温度的36.8％。称为时间常数，用表示。hAVchAVcc▲集总参数法的简化分析170%8.36e10cvvFoBi应用集总参数法时，物体过余温度的变化曲线▲集总参数法的简化分析18如果导热体的热容量（Vc）小、换热条件好（h大），那么单位时间所传递的热量大、导热体的温度变化快，时间常数(Vc/hA)小。对于测温的热电偶节点，时间常数越小、说明热电偶对流体温度变化的响应越快。这是测温技术所需要的（微细热电偶、薄膜热电阻）%83.140时，当hAVc工程上认为=4Vc/hA时导热体已达到热平衡状态▲集总参数法的简化分析193瞬态热流量：导热体在时间0~内传给流体的总热量：当物体被加热时(tt)，计算式相同（为什么？）W))(()(0VchAehAhAtthAΦJ)1()(00VchAeVcdΦQ▲集总参数法的简化分析204物理意义vvFoBihlhl1Bi物体表面对流换热热阻物体内部导热热阻＝无量纲热阻无量纲时间Fo越大，热扰动就能越深入地传播到物体内部，因而，物体各点地温度就越接近周围介质的温度。22Flola换热时间边界热扰动扩散到面积上所需的时间▲集总参数法的简化分析21采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于5%M1.0)AV(hBiv对厚为2δ的无限大平板对半径为R的无限长圆柱对半径为R的球31M21M1M3BB3RR4R34AV2BB2RR2RAVBBAAAViiv23iiv2iiv5集总参数法的应用条件是与物体几何形状有关的无量纲常数▲集总参数法的简化分析223-3一维非稳态导热的分析解1.无限大的平板的分析解λ=consta=consth=const因两边对称，只研究半块平壁23此半块平板的数学描写：导热微分方程初始条件边界条件xtat22)0,x0(0tt00x0xtx)tt(hxt(对称性)▲一维非稳态导热的分析解24引入变量－－过余温度令t),x(t),x(xhx0x0x00,x0xa022上式化为：▲一维非稳态导热的分析解25用分离变量法可得其分析解为：此处Bn为离散面(特征值)若令则上式可改写为：eannnnnnnxx210)cos()sin()cos()sin(2),(e22nan1nnnnn0)xcos(cossinsin2),x(nn*▲一维非稳态导热的分析解μn为下面超越方程的根为毕渥准则数，用符号Bi表示书上P73表3-1给出了部分Bi数下的μ1值hctgnnh▲一维非稳态导热的分析解eannnnnnnxx210)cos()sin()cos()sin(2),(eannnnnnnxx22)(10)cos()sin()cos()sin(2),(因此是F0,Bi和函数，即0),x(x)x,B,F(f),x(i00注意：特征值特征数（准则数）区别n▲一维非稳态导热的分析解282.非稳态导热的正规状况对无限大平板当取级数的首项，板中心温度，误差小于1%20aF2.0F0eFxx021)cos(cossinsin2),(111110eFm021111100cossinsin2)(),0(▲一维非稳态导热的分析解29eFxx021)cos(cossinsin2),(111110eFm021111100cossinsin2)(),0()cos()(),(1xxm与时间无关▲一维非稳态导热的分析解30若令Q为内所传递热量)(00ttcVQ00001)()],([ttcVdVxttcQQVe11021sin)F(11110vcossinsin2dvv1],0[考察热量的传递Q0--非稳态导热所能传递的最大热量▲一维非稳态导热的分析解--时刻z的平均过余温度31对无限大平板，长圆柱体及球：及可用一通式表达i021010210B)Fexp(A)y(f)Fexp(A0长圆柱体及球无限大平板此处此处的A，B及函数见P74表3-220i20iRazFhRBRxyazFhBxy1()fy▲一维非稳态导热的分析解323正规热状况的实用计算方法－拟合公式法对上述公式中的A，B，μ1，J0可用下式拟合式中常数a,b,c,d见P75表3-3、a`,b`,c`,d`见P75表3-4320iicBi1i21x`dx`cx`b`a)x(JbB1cBaB)e1(baA)Bba(▲一维非稳态导热的分析解33),,()cos(cossinsin2),(111110021xBiFofxxeF3正规热状况的实用计算方法－线算图法诺谟图三个变量，因此，需要分开来画以无限大平板为例，F00.2时，取其级数首项即可•先画),(0BiFofm▲一维非稳态导热的分析解34(2)再根据公式(3-23)绘制其线算图),()cos()(),(1xBifxxm(3)于是，平板中任一点的温度为00mm同理，非稳态换热过程所交换的热量也可以利用（3－24）和（3－25）绘制出。解的应用范围书中的诺谟图及拟合函数仅适用恒温介质的第三类边界条件或第一类边界条件的加热及冷却过程，并且F00.2▲一维非稳态导热的分析解22123-4二维及三维问题的求解考察一无限长方柱体(其截面为的长方形)2122ft00),,(fftttyxt)(2222yxa10xyxyhx),,(),,(11yyxxhy),,(),,(220),,(00xxyxx0),,(00yyyxy),(),(0),(01)0,(02022hxxxxxxxxaxxx利用以下两组方程便可证明即证明了是无限长方柱体导热微分方程的解，这样便可用一维无限大平壁公式、诺谟图或拟合函数求解二维导热问题),(),(yx),(),(),,(yxyx其中其中及ffxtttxt0),(),(),(0),(01)0,(022022hyyyyyyyyayyyffytttyt0),(▲二维及三维问题的求解370),x(0),v(Rl222123221),(),(),,(PPyxyx321),(),(),(),,,(PPPzyxzyxcPyxyx),(),(),,(▲二维及三维问题的求解38限制条件：（1）一侧绝热，另一侧三类（2）两侧均为一类（3）初始温度分布