第四章非稳态导热剖析.ppt

ch8 热量传递测基本方式 稳态导热是一种理想化的情况。 受环境温度变化的影响，生活和工程中真正意义上的稳态导热是不存在的。 只是对工程中的某些问题，忽略温度随时间变化所造成的影响、误差不大，而将其简化为稳态导热。 第三节 非稳态导热 非稳态导热的例子： 生活中： 冷冻食品的解冻过程；微波炉、烘箱对物体的加热过程； 突然来了寒流，物体内的导热过程等等。 工程中： 机器启动、停机、变工况时部件的导热过程； 冶金、热加工、热处理工艺中工件的加热及冷却过程等； 石油工程中钻井、焖井、采油等过程中热量在地层内的扩散过程。 具有实际意义。 第三节 非稳态导热 本节讨论: ——基本概念和特点 ——非稳态导热问题的求解及诺模图 ——集总参数法 一、 概述 1、非稳态导热的分类 周期性的非稳态导热 periodic unsteady heat conduction —在周期性变化边界条件下发生的导热过程， —通常称为准稳态。 —如大地土壤的导热、房屋围护结构的导热等 非周期性的非稳态导热 —在瞬间变化的边界条件下发生的导热过程 —又称瞬态导热。当边界条件或内热源不变时，过程将最终逐渐趋于某个新的稳定温度场。 —前讲例子都属于此类。 一、概述 举例： 设有一物体具有均匀的初始温度t0，周围流体温度亦为t0。 现在左侧表面温度突然升高到t1，并保持不变，而右侧仍与温度为t0的流体相接触。 温度场的变化过程： 首先，曲线HBD； 随着时间推移，曲线HCD、HF； 最终稳态，温度保持恒定，曲线HG。 若热导率为常数，HG为一直线段。 非稳态导热的特点 （1）物体内各点的温度随时间而变。对于瞬态导热，明显分为两个不同阶段： A 非正规状况阶段—— 部分物体不参与变化 物体内的温度分布受初始温度的影响很大，温度分布呈现部分为非稳态导热规律和部分为初始温度区的混合分布。 B 正规状况阶段——整个物体参与变化 物体内的温度分布不再受初始温度的影响，而只受控于非稳态导热的规律（边界条件、物性和几何因素的影响）。 （2）在非稳态导热热量传递的路径中，每一个与热流方向垂直的截面上的热流量是处处不等的。 原因：各处本身温度变化要积蓄(或放出)热量。 一、 概述 3、研究目的 （1）确定非稳态过程中的温度场 ——物体中某个部位到达某个预定温度所需的时间； ——在预定时间内物体可以达到的温度； ——物体的温度对时间的变化速率。 （2）确定非稳态过程的热流量 ——物体在某一瞬间每一位置处的热流密度； ——物体经过一段时间后的总传热量。 关键：确定温度场 t =f（x,y,z,?） 更复杂 一、 概述 4、研究方法与过程 （1）假设简化，给出物理模型 （2）给出数学模型（方程＋定解条件） （3）采用适当的数学方法求解 （4）分析讨论 一、 概述 数学描述： 导热微分方程式 定解条件： 初始条件 边界条件 常用的三类 最常见 求解方法： 分析解法、数值解法、实验模拟法、图解法等 二、非稳态导热问题的求解及诺模图 以第三类边界条件下的 无限大平壁的非稳态导热为例 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 设有一块厚度为2?的无限大平壁，初始温度为t0。 现突然将它置于温度为tf的流体中并保持不变，且tf t0，流体与壁面间的表面传热系数h为常数。 1、确定在非稳态过程中壁内的温度分布 这是一维的非稳态导热问题。 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 数学模型： 两侧受流体对称加热，中心面为对称面，只需研究半厚?的平壁。 将坐标原点置于平壁中心面，建立如图直角坐标系。 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 分析解： （一）无限大平壁的分析解及诺模图 计算表明：式中的指数项衰减很快。 当Fo0.2时，只取无穷级数的第一项而舍弃其他项，所得结果的误差小于1％。 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 特征数或准则数 —用来表征某一物理现象或物理过程特征的量纲一的量； 特征长度l —出现在特征数中的几何尺度 —不同情况下，不同形状的物体特征长度是不同的。 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 2、Fo数和Bi数的物理意义以及对非稳态过程的影响 （一）无限大平壁的分析解及诺模图 2、Fo数和Bi