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热传导 对流微分方程推导.doc

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热传导微分方程 导热又称热传导,是两个相互接触的物体或同一物体的各部分之间,由于温度不同而引起的热量传递现象。此时热量主要依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的运动进行传递,没有明显的物质转移。热量可以通过固体、液体以及气体进行传导,但是严格来说,单纯的导热只发生在密实的固体物质中。 1 傅立叶定律 傅立叶定律是导热理论的基础。其向量表达式为: (2-1) 式中:——热流密度,是一个向量, ——温度梯度,也是一个向量,℃/m 。 ——导热系数,又称热导率,; 式中的负号表示的方向始终与相反。 2 导热系数(thermal conductivity)及其影响因素 导热系数()是热传导过程中一个重要的比例常数,在数值上等于每小时每平方米面积上,当物体内温度梯度为1℃/m时的导热量。 导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,°C),在1秒内,通过1平方米面积传递的 HYPERLINK /view/62743.htm \t _blank 热量,用λ表示,单位为瓦/米·度,w/m·k(W/m·K,此处的K可用℃代替)。 导热系数为温度梯度1℃/m,单位时间通过每平方米等温面的热传导热流量。单位是:W/(m·K)。 在上述假设前提下,建立煤层瓦斯流动数学模型的控制方程。 3.热传导微分方程推导 在t时刻w界面的温度梯度为 在t时刻e界面的温度梯度为 单位时间内六面体在方向流入的热流量为:; 单位时间内六面体在方向流出的热流量为:; 单位时间内六面体在方向流入的净热量为: P P Δz Δx Δy e s x n b t w W E N S T B 图3-1 微分单元体各面上进出流量示意图 Figure3-1 The figure of flow in and out on every surface of differential unit 同理,单位时间内六面体在y方向流入的净热量为: 单位时间内六面体在y方向流入的净热量为: 单位时间内流入六面体的总热量为: (3-1) 六面体内介质的质量为: 单位时间六面体内热量的变化量(增加)为: 根据热量守恒定律: α称为热扩散率或热扩散系数(thermal diffusivity),单位m^2/s. λ:导热系数,单位W/(m·K);   ρ:密度,单位kg/m^3 c:热容,单位J/(kg·K). 思考:如果单元体内有热源:单位体积单位时间的散热量是q 方程怎么变? 4.岩石的热扩散率(导温系数) thermal diffusion coefficient ;thermal diffusivity; thermal degradation 岩石的热扩散率也叫或热扩散系数,表示岩石在加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力。它反映岩石的热惯性特征,是一个综合性参数。热扩散率越大的岩石,热能传播温度趋于一致的速度越大,透入的深度也越大。 热扩散系数一般是根据岩石的导热系数(ramuda)、和密度(rou)的测量数据计算得到的。 如果单元体内有热源:单位体积单位时间的散热量是q 则在 左边增加热源散发的热量, 方程变为:    如果是流体除了热传导外,还有流体流动带入和带出微元体的热量 P P Δz Δx Δy e s x n b t w W E N S T B 图3-1 微分单元体各面上进出流量示意图 Figure3-1 The figure of flow in and out on every surface of differential unit 在t时刻 w界面流体速度为U,流体温度为T 单位时间流入微元体的流体质量为: 带入微元体的热量为: e界面流体速度为,流体温度为 单位时间流出微元体的流体质量为: 带出微元体的热量为: 如果不考虑x方向速度变化,略去高阶微量,则e界面带出微元体的热量为: 单位时间内在方向流入六面体的净热流量为:; 同理, y方向: z方向: 将上述三项加入到热传导方程(左边,进入微元体的热量): (能量方程) 2.2巷壁与风流间的对流换热 运动着的流体与所接触的固体壁面之间的热量传递过程称为对流换热,它是流体(液体或气体)由于宏观相对运动,从某一区域迁移到温度不同的另一区域时引起热量传递的现象。固体壁面与流体之间存在温度差将产生对流换热,由于实际流体的粘性和壁面摩擦的共同影响,近壁流体分层流动,尤其与壁面直接接触的几何面上,总有一层很薄的流体粘附于表面,该层流体处于静止状态,所以热

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