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传热学热学教案3
第三章 非稳态导热
1、重点内容: ① 非稳态导热的基本概念及特点;
???????????????② 集总参数法的基本原理及应用;
???????????????③ 一维及二维非稳态导热问题。
2 、掌握内容: ① 确定瞬时温度场的方法;
???????????????② 确定在一时间间隔内物体所传导热量的计算方法。
3 、了解内容:无限大物体非稳态导热的基本特点。
????许多工程问题需要确定:物体内部温度场随时间的变化,或确定其内部温度达某一极限值所需的时间。如:机器启动、变动工况时,急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏。因此,应确定其内部的瞬时温度场。钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程,掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素;金属在加热炉内加热时,要确定它在炉内停留的时间,以保证达到规定的中心温度。
3-1 非稳态导热的基本概念
一、非稳态导热
1 、定义:物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。
2 、分类:根据物体内温度随时间而变化的特征不同分:
1)物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定值,即:;
2)物体的温度随时间而作周期性变化。如墙体的温度在一天内随室外气温的变化而作周期性变化,在一年内随季节的变化而作周期性变化。
????我们仅分析前一种非稳态导热过程的特点。如图 3-1 所示,设一平壁,其初始温度为,令其左侧的表面温度突然升高到并保持不变,而右侧仍与温度为的空气接触,试分析物体温度场的变化过程。
????物体的温度分布通常要经历以下的变化过程。首先,物体与高温表面靠近部分的温度很快上升,而其余部分仍保持原来的。 如图中曲线HBD。随着时间的推移,由于物体导热温度变化波及范围扩大,以致在一定时间后,右侧表面温度也逐渐升高,图中曲线HCD、HE、HF示意性地表示了这种变化过程。最终达到稳态时,温度分布保持恒定,如图中曲线HG(若,则HG是直线)。
????以上分析表明,在上述非稳态导热过程中,物体种的温度分布存在着两个不同阶段。
(1)非正规状况阶段(右侧面不参与换热)
????温度分布呈现出主要受初始温度分布控制的特性。在这一阶段,物体中的温度分布受初始温度分布很大的影响。
( 2 )正规状况阶段(右侧面参与换热)
????当过程进行到一定深度时,物体初始温度分布的影响逐渐消失,物体中的温度分布主要取决于边界条件及物性。正规状况阶段的温度变化规律是本章讨论的重点。
2)二类非稳态导热的区别:前者存在着有区别的两个不同阶段,而后者不存在。
3.特点:
????非稳态导热过程中,在与热流量方向相垂直的不同截面上热流量不相等,这是非稳态导热区别于稳态导热的一个特点。
原因:由于在热量传递的路径上,物体各处温度的变化要积聚或消耗能量,所以,在热流量传递的方向上。
图3-2定性地示出了图3-1所示的非稳态导热平板,从左侧面导入的热流量及从右侧面导出的热流量随时间变化的曲线。在整个非稳态导热过程中,这两个截面上的热流量是不相等的,但随着过程的进行,其差别逐渐减小,直至达到稳态时热流量相等。图中有阴影线部分就代表了平板升温过程中所积聚的能量。
4.非稳态导热的初始条件
导热微分方程式连同初始条件及边界条件一起,完整地描写了一个特定的非稳态导热问题。非稳态导热问题的求解,实质上归结为在规定的初始条件及边界条件下求解导热微分方程式。这是本章的主要任务。初始条件的—般形式是:
(3-1)
一个实用上经常遇到的简单特例是初始温度均匀,即:
(3-2)
边界条件的表示方法已在第二章中讨论过。
二.物体温度分布与边界条件的关系
1. 物体温度分布与边界条件的关系
为了说明第三类边界条件下非稳态导热时物体中的温度变化特性与边界条件参数的关系,分析一简单情形。
????已知:设有一块厚的金属平板,初始温度为,突然将它置于温度为的流体中进行冷却,表面传热系数为,平板导热系数为。
由于面积热阻与的相对大小的不同,平板中温度场的变化会出现以下三种情况(如图3-3所示):
(1)
????这时,由于表面对流换热热阻几乎可以忽略,因而过程一开始平板的表面温度就被冷却到。随着时间的推移长,平板内部各点的温度逐渐下降而趋近于,如图3-3(a)。
(2)
????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温度接近均匀,并随着时间的推移整体地下降,逐渐趋近于,如图3-3(b)。
(3)与的数值比较接近
????这时,平板中不同时刻的温度分布介于上述两种极端情况之间,如图3-3 (c)。
????
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