传热学ppt-第一章.ppt.ppt

第一章 导热理论基础 本章主要内容 与导热有关的基本概念； 导热的基本定律 ； 导热现象的数学描述方法。 导热问题研究方法：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。 第一节 基本概念及傅里叶定律 等温面与等温线：温度相同的点连成的面或线 特征： (1)．同一时刻，物体中温度不同的等温面或等温线不能相交； (2)．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。 温度梯度 :沿等温面法线方向上的温度变化率 1.2 导热的基本定律—傅里叶定律 第二节 导热系数 2.1 定义 导热系数反应了物质导热能力的大小 2.2 导热系数的一般特性 许多工程材料的近似特性 2.3 导热机理与材料分类 导热机理：依靠微观粒子（如分子、原子、自由电子等）的热运动（如移动、转动和振动等）传递热量 纯金属的导热主要靠自由电子的热运动，尤其是自由电子迁移，导热系数大。晶格的振动阻碍自由电子的运动，导热系数随温度的升高而减小。 合金自由电子减少，导热系数小 合金和非金属的导热系数随温度的升高而增大。 导热系数小于0.12W/(m?K)成为保温材料 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（因为密度减小）。 所有气体的导热系数均随温度升高而增大 第三节 导热微分方程式 建立导热微分方程式的目的： 求解温度场和热流量 建立导热微分方程式依据： 能量守恒+傅里叶定律 第四节 导热过程的单值性条件 单值性条件的定义：使导热微分方程式具有唯一解的定解条件。单值性条件一般包括：几何条件、物理条件、时间条件、边界条件。 1. 几何条件：说明参与导热物体的几何形状及尺寸。几何条件决定温度场的空间分布特点和分析时所采用的坐标系。 2. 物理条件：说明导热物体的物理性质, 例如物体有无内热源以及内热源的分布规律，给出热物性参数(λ、ρ、c、a 等)的数值及其特点等。 3. 时间条件：说明导热过程时间上的特点, 是稳态导热还是非稳态导热。对于非稳态导热, 应该给出过程开始时物体内部的温度分布规律（称为初始条件）。 4. 边界条件：说明导热体边界上过程进行的特点，反映过程与周围环境相互作用的条件 (1) 第一类边界条件：已知任一瞬间导热体边界上温度值 例：大平壁一维稳定导热 (2) 第二类边界条件：已知物体边界上热流密度的分布及变化规律 特例：绝热边界面 (3) 第三类边界条件：当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面周围流体的温度和表面传热系数 求解导热问题的方法：(1) 分析解法；(2) 数值解法；(3) 实验方法。 导热问题分析解法与数值解法总体思路： 导热微分方程式+单值性条件构成完整的数学描述； 对数学模型进行求解, 就可以得到物体的温度场； 根据温度场及傅里叶定律就可以确定相应的热流分布。 * * 1.1 基本概念 温度场 ：任意时刻空间所有各点的温度 不稳定 三维 二维 一维 稳定 等温线 绝热面 墙体拐角内的等温线 t t-Δt t+Δt gradt n q 直角坐标系中温度梯度的计算表达式 温度梯度矢量 热流密度矢量：单位时间单位面积上所传递的热量 微元体界面导入与导出的净热量 + 微元体中内热源发热量 =微元体热力学能的增加 1、导入与导出微元体的净热量 d? 时间内、沿 x 轴方向、经 x 表面导入的热量： d? 时间内、沿 x 轴方向、经 x+dx 表面导出的热量： d? 时间内、沿 x 轴方向导入与导出微元体净热量： d? 时间内、沿 y 轴方向导入与导出微元体净热量： d? 时间内、沿 z 轴方向导入与导出微元体净热量： 导入与导出微元体的净热量 傅里叶定律： 导入与导出微元体的净热量 2、微元体中内热源的发热量 3、微元体热力学能的增量 导热微分方程式、导热过程的能量方程 时变项，反映单元体内能量变化率 扩散项，反映由单元体界面导入的净热量 源项，反映单元体内部的发热量 若物性参数 ?、c 和 ? 均为常数： 热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力 在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，物体内部各处的温度差别越小。 a反应导热过程动态特性，研究不稳态导热的重要物理量 若物性参数为常数且无内热源： 物性参数为常数且无内热源的稳态导热： O ? x tw1 tw2 *