第2章-导热理论基础以及稳态导热.

第2章导热基本定律及稳态导热2-1导热基本定律－傅里叶定律2-2导热问题的数学描写2-3典型一维稳态导热问题的分析解2-4通过肋片的导热1、重点内容：①傅立叶定律及其应用；②导热系数及其影响因素；③导热问题的数学模型。2、掌握内容：一维稳态导热问题的分析解法3、了解内容：一维有内热源的导热问题气体：导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不同能量水平的分子相互碰撞，使热能从高温传到低温处2.1导热基本定律－傅里叶定律2.1.1导热机理•导电固体：其中有许多自由电子，它们在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导电固体的导热中起主导作用。•非导电固体：导热是通过晶格结构的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。液体的导热机理：存在两种不同的观点第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。说明：只研究导热现象的宏观规律。1、概念温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。一般地讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数：,,,zyxft其中为空间坐标，为时间坐标。,,xyz2.1.2、温度场（Temperaturefield）2、温度场分类1）按照时间坐标分类稳态温度场（定常温度场）（Steady-stateconduction）是指在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场，其表达式：(,,)tfxyz非稳态温度场（非定常温度场）（Transientconduction）是指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式：(,,,)tfxyz),,,(zyxft(,,)tfxy(,)tfx2）按照空间坐标分类一维温度场若物体温度仅一个方向有变化，这种情况下的温度场称一维温度场。二维温度场三维温度场•根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非稳态的。(,)tfxy(,)tfx二维，稳态一维，非稳态0t稳态温度场稳态导热（Steady-stateconduction）0t非稳态温度场非稳态导热（Transientconduction）三维稳态温度场：),,(zyxft一维稳态温度场:)(xft3、等温面与等温线等温线（isotherms）用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇等温面（isothermalsurface）同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面•物体的温度场通常用等温面或等温线表示等温面与等温线的特点：温度不同的等温面或等温线彼此不能相交在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上沿等温面（线）无热量传递等温线图的物理意义：若每条等温线间的温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。tt-Δtt+Δt2.1.3导热基本定律在导热现象中，单位时间内通过给定截面所传递的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率，而热量传递的方向与温度升高的方向相反，即xtA~数学表达式：xtA（负号表示热量传递方向与温度升高方向相反）xtq用热流密度表示：其中——热流密度(单位时间内通过单位面积的热流量)——物体温度沿x轴方向的变化率qxt当物体的温度是三个坐标的函数时，其形式为:nntgradtq是空间某点的温度梯度；是通过该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；是该处的热流密度矢量。gradtnqt1t20xδndtdntt+dtt1t20xδndtdntt+dt负号是因为热流密度与温度梯度的方向不一致而加上傅里叶定律可表述为:系统中任一点的热流密度与该点的温度梯度成正比而方向相反注：傅里叶定律只适用于各向同性材料各向同性材料：热导率在各个方向是相同的nntgradtq傅立叶定律的一般形式的数学表达式温度梯度和热流密度的方向都是在等温面的法线方向。由于热流是从高温处流向低温处，因而温度梯度和热流密度的方向正好相反。t+Δttt-Δt2.1.4、导热系数1、定义傅利叶定律给出了导热系数的定义:gradtq/w/m·℃导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位时间内单位面积的热量。导热系数是物性参数，它与物质结构和状态密切相关，例如物质的种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等，与物质几何形状无关。它反映了物质微观粒子传递热量的特性。不同物质的导热性能不同：非金属金属气体液体固体Cmw/398纯铜Cmw/7.2大理石0˚C时：Cmw/22.2冰Cmw/551.0水Cmw/0183.0蒸汽同一种物质的导热系数也会因其状态参数的不同而改变，因而导热系数是物质温度和压力的函数。一般把导热系数仅仅视为温度的函数，而且在一定温度范围还可以用一种线性关系来描述)1(0bT273K时物质的导热系数导热系数的确定工程计算采用的各种物质的导热系数的数值都是用专门实验测定出来的。测量方法包括稳态测量方法和非稳态测量方法。物质的导热系数值可以查阅相关文献。2、保温材料（隔热、绝热材料）把导热系数小的材料称保温材料。我国规定：t≤350℃时，≤0.12w/mk保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保温材料的生产及节能的水平。越小，生产及节能的水平越高。我国50年代0.23W/mk80年代GB4272-840.14w/mk90年代GB427-920.12w/mk保温材料热量转移机理(高效保温材料)高温时：（1）蜂窝固体结构的导热（2）穿过微小气孔的导热更高温度时：（1）蜂窝固体结构的导热（2）穿过微小气孔的导热和辐射超级保温材料采取的方法：（1）夹层中抽真空（减少通过导热而造成热损失）（2）采用多层间隔结构（1cm达十几层）特点：间隔材料的反射率很高，减少辐射换热，垂直于隔热板上的导热系数可达：10-4w/mk各向异性材料指有些材料（木材，石墨）各向结构不同，各方向上的导热系数也有较大差别，这些材料称各向异性材料。此类材料必须注明方向。相反，称各向同性材料。2.2导热问题的数学描写2.2.1导热微分方程的推导傅里叶定律：gradtq建立导热微分方程，可以揭示连续温度场随空间坐标和时间变化的内在联系。理论基础：傅里叶定律+能量守恒定律定义：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满足的数学表达式，称为导热微分方程。假设：(1)所研究的物体是各向同性的连续介质(2)热导率、比热容和密度均为已知(3)体内具有均匀分布内热源；强度[W/m3];：单位体积的导热体在单位时间内放出的热量根据能量守恒定律，在dτ时间内导入与导出微元体的净热量＋微元体内热源的发热量＝微元体热力学的增加ddvdEⅠ、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：xdd时间内、沿x轴方向、经x+dx表面导出的热量：xdxdxxdxxdddxxd时间内、沿x轴方向、经x表面导入的热量：泰勒展开xxxdxdddxxxxqdydzdd时间内、沿x轴方向导入与导出微元体净热量()xxdxxxxxdxddqdydzddxxqdddxdydzdxd时间内、沿y轴方向导入与导出微元体净热量yyydyqdddxdydzdyd时间内、沿z轴方向导入与导出微元体净热量zzzdzqdddxdydzdz同理[导入与导出净热量]:()yxzdqqqddxdydzdxyz傅里叶定律：xtqxytqyztqz[()()()]dtttdxdydzdxxyyzz2、d时间微元体内热源的发热量vdxdydzd3、微元体在d时间内焓的增加量dxdydzdtc[()()()]vtttdxdydzdqdxdydzdxxyyzztcdxdydzddv＝将以上各式代入热平衡关系式，并整理得：这是笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般表达式。其物理意义：反映了物体的温度随时间和空间的变化关系。()()()ttttcxxyyzz非稳态项源项扩散项上式化简：①导热系数为常数cztytxtat·222222)(式中，，称为热扩散率。)/(ca②导热系数为常数、无内热源222222()ttttaxyz()()()ttttcxxyyzz③导热系数为常数、稳态·2222220tttxyz④导热系数为常数、稳态、无内热源2222220tttxyz()()()ttttcxxyyzz综上说明：（1）导热问题仍然服从能量守恒定律；（2）等号左边是单位时间内微元体热力学能的增量（非稳态项）；（3）等号右边前三项之和是通过界面的导热使微分元体在单位时间内增加的能量(扩散项)；（4）等号右边最后项是源项；（5）若某坐标方向上温度不变，该方向的净导热量为零，则相应的扩散项即从导热微分方程中消失。三、其他坐标下的导热微分方程对于圆柱坐标系222222211()tttttarrrrzc对于球坐标系2222222111[()(sin)]sinsinttttarrrrrrc2.2.2定解条件导热微分方程式的理论基础：傅里叶定律+能量守恒。它描写物体的温度随时间和空间变化的关系；没有涉及具体、特定的导热过程。通用表达式。定解条件：确定唯一解的附加补充说明条件，包括四项：几何、物理、初始、边界完整数学描述：导热微分方程+定解条件1、几何条件：说明导热体的几何形状和大小，如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等2、物理条件：说明导热体的物理特征如：物性参数、c和的数值，是否随温度变化；有无内热源、大小和分布；3、初始条件：又称时间条件，反映导热系统的初始状态)0,,,(zyxft４、边界条件:反映导热系统在界面上的特征，也可理解为系统与外界环境之间的关系。说明：①非稳态导热定解条件有两个初始条件；边界条件②稳态导热定解条件只有边界条件，无初始条件。边界条件常见的有三类（１）第一类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度分布，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值。t=f(y,z,τ)0x1x（2）第二类边界条件:该条件是给定系统边界上的温度梯度，即相当于给定边界上的热流密度，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值0x1x),,(zyfxt0wtf时20()()wtfn时（3）第三类边界条件:该条件是第一类和第二类边界条件的线性组合，常为给定系统边界面与流体间的换热系数和流体的温度，这两个量可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值0x1x)thttx（()()wwfthttn辐射边界条件导热物体表面与温度为Te的外界环境只发生辐射换热导热微分方程＋定解条件＋求解方法温度场44()()wwetTTn界面连续条件不均匀材料中的导热，常采用分区计算的方法。,()()ttttnn