传热学第四版第2章.ppt

杨世铭 陶文铨 编著 尹华杰 课件制作 高等教育出版社;传热学研究达到工程应用的两个基本目的 能准确地计算所研究问题中传递的热流量 能准确地预测所研究系统中的温度分布 本章主要研究的问题 导热问题的基本方程 稳态导热问题的分析解法;各类物体的导热机理 气体的导热机理： 气体的温度越高，其分子的运动动能越大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热量从高温处传到低温处。即气体分子的不规则热运动，相互碰撞的结果。;各类物体的导热机理 导电固体的导热机理： 导电固体中有相当多的自由电子，它们在晶格之间像气体分子一样运动，把热量从高温处传向低温处。另外在导电固体中还存在着晶格结构的振动，通过弹性波实现热量从高温处传向低温处，但自由电子的运动在导电固体的导热中起着主要作用。;各类物体的导热机理 非导电固体的导??机理： 非导电固体中几乎没有自由电子，在非导电固体中存在着晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动，产生弹性波而实现热量从高温处传向低温处。 ;各类物体的导热机理 液体的导热机理 一种观点认为定性上类似于气体，只是情况更复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。 另一种观点则认为液体的导热机理类似于非导电固体，主要靠弹性波的作用。;温度场 定义 各时刻物体中各点温度分布的总称。一般物体的温度分布是坐标和时间的函数 稳态温度场 物体各点的温度不随时间变动 非稳态温度场 物体各点的温度随时间变动 ;温度场 等温面与等温线 温度场中同一瞬间同温度各点连成的面称为等温面；在任何一个二维截面上等温面表现为等温线 等温线的特点 物体中的任一条等温线要么形成一个封闭曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交。等温线的疏密可直观地反映出不同区域导热热流密度的相对大小;导热基本定律 傅立叶定律 在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反;导热基本定律 傅立叶定律的数学表达式 分量表达式 空间矢量表达式;导热系数 导热系数的表达式;导热系数 影响导热系数的主要因素 物质种类 温度 多数材料可用线性表达式表示 物体结构 多孔结构、多层间隔;导热系数 材料的导热性能分类 良导热材料 导热系数大，导热性能好 绝热材料 导热系数小，导热性能差。我国国 家标准GB/T4742-92《设备及管道保温准则》规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)材料称为保温材料（绝热材料）;工程导热材料的一般分类 均匀、各向同性导热材料 均匀、各向异性导热材料 不均匀但每个区域中各向同性导热材料 不均匀且各向异性导热材料;导热微分方程式 根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导热物体中的温度场应当满足的数学关系式 任意微元平行六面体的能量守恒 x、y、z微元面导入微元体的热流量;导热微分方程式 任意微元平行六面体的能量守恒 X+dx、y+dy、z+dz微元面导入微元体的热流量;导热微分方程式 任意微元平行六面体的能量守恒 在任一时间间隔内微元体内热力学能的增量 在任一时间间隔内微元体内热源的生成热量 ;导热微分方程式 任意微元平行六面体的能量守恒 在任一时间间隔内微元体的能量守恒导入微元体的总热量+微元体内热源的生成热=导出微元体的总热量+微元体内热力学能（即内能）的增量 微元体的导热微分方程式;导热微分方程式 导热系数为常数 导热系数为常数、无内热源时 ;导热微分方程式 导热系数为常数、稳态时 导热系数为常数、无内热源、稳态时;导热微分方程式 圆柱坐标系下的导热微分方程 ;导热微分方程式 球坐标系下的导热微分方程 ;定解条件 定义 使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件 非稳态导热的定解条件 初始条件 初始时刻温度分布的条件 边界条件 导热物体边界上温度或换热情况 稳态导热的定解条件 边界条件;定解条件 边界条件的分类 第一类边界条件 规定了边界上的温度值 第二类边界条件 规定了边界上的热流密度值 第三类边界条件 规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h及周围流体的温度tf;热扩散率（又称导温系数）的物理意义 λ的影响 λ越大，在相同温度梯度下可以传导更多的热量 ρc的影响 ρc是单位体积的物体温度升高1℃所需的热量。 ρc越小，温度升高1℃所需吸收的热量越少，可以剩下更多的热量向物体内部传递，能使物体内各点的温度更快地随界面温度升高而升高 a的影响