第三章非稳态导热分析解法

第三章非稳态导热分析解法本章主要要求：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图3-1所示，设一平壁，初值温度t0，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，试分析物体的温度场的变化过程。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t0。如图中曲线HBD，随时间的推移，由于物体导热温度变化波及范围扩大，到某一时间后，右侧表面温度也逐渐升高，如图中曲线HCD、HE、HF。最后，当时间达到一定值后，温度分布保持恒定，如图中曲线HG（若λ=const，则HG是直线）。由此可见，上述非稳态导热过程中，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。（1）第一阶段（右侧面不参与换热）温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，即：在此阶段物体温度分布受t分布的影响较大，此阶段称非正规状况阶段。（2）第二阶段，（右侧面参与换热）当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受to影响，主要取决于边界条件及物性，此时，非稳态导热过程进入到正规状况阶段。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。二、非稳态导热的数学模型1、数学模型非稳态导热问题的求解规定的{初始条件，边界条件}下，求解导热微分方程。2、讨论物体处于恒温介质中的第三类边界条件问题在第三类边界条件下，确定非稳态导热物体中的温度变化特征与边界条件参数的关系。已知：平板厚2、初温to、表面传热系数h、平板导热系数，将其突然置于温度为的流体中冷却。试分析在以下三种情况：1/h、1/h、=1/h时，平板中温度场的变化。1）1/h因为1/h可忽略，当平板突然被冷却时，其表面温度就被冷却到，随着时间的延长，平板内各点t→如图3-3（a）。2）1/h因为忽略不计，即平板内导热的流量接近于无穷大，所以任意时刻平板中各点温度接近均匀，随着时间的延长，平板内各点t→，而且整体温度下降如图3-3（b）。3）1/h=平板中的温度分布介于二者之间，如图3-3（c）。由此可见，表面对流换热热阻1/h与导热热阻的相对大小对物体中非稳态导热的温度场的分布有重要影响，因此，引入表征二者比值的无量纲数，毕渥数。3、毕渥数1）定义式：（3-1）毕渥数属特征数（准则数）。2）Bi物理意义：Bi的大小反映了物体在非稳态条件下内部温度场的分布规律。3）特征数（准则数）：表征某一物理现象或过程特征的无量纲数。4）特征长度：是指特征数定义式中的几何尺度。§3—2集总参数法的简化分析一、集总参数法1、定义：当固体内的k1时，固体内的温度趋于一致，此时可认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下，这时需求解的温度仅是时间的一元函数，而与坐标无关，好象该固体原来连续分布的质量与热容量汇总到一点上，而只有一个温度值那样。这种忽略物体内部导热热阻的简化分析方法称为集总参数法。2、集总参数法的计算已知：有一任意形状的物体，其体积为V，面积为A，初始温度为t0，在初始时刻，突然将其置于温度恒为的流体中，且to,固体与流体间的表面传热系数h，固体的物性参数均保持常数。试根据集总参数法确定物体温度随时间的依变关系。解：①建立非稳态导热数学模型方法一：椐非稳态有内热源的导热微分方程：∵物体内部导热热阻很小，忽略不计。∴物体温度在同一瞬间各点温度基本相等，即t仅是τ的一元函数，二与坐标x、y、z无关，即=0则：（a）∵可视为广义热源，而且热交换的边界不是计算边界（零维无任何边界）。∴界面上交换的热量应折算成整个物体的体积热源，即：（b）∵t,物体被冷却，∴应为负值由（a），（b）式得：（3-2）这就是瞬时时刻导热微分方程式。方法二：根据能量守恒原理，建立物体的热平衡方程，即物体与环境的对流散热量=物体内能的减少量则有：②物体温度随时间的依变关系引入过余温度：则上式表示成：其初始条件为：将分离变量求解微分方程，对时间从0积分，则：In即：（）（3-3）其中：其中：V/A是具有长度的量纲，记为；毕渥数；傅立叶数；而V说明Fov、Biv中的特征长度为V/A故得：（3-4）由此可见，采用集总参数法分析时，物体内的过余温度随时间成指数曲线关系变化。而且开始变化较快，随后逐渐变慢。指数函数中的的量纲与的量纲相同，如果时间，则则：称时间常数，记为。的物理意义：表示物体对外界温度变化的响应程度。当时间时，物体的过余温度已是初始过余温度值的36.8%。③确定从初始时刻到某一瞬间这段时间内，物体与流体所交换的热流量首先求得瞬时热流量：将带入瞬时热流量的定义式得：=（3-5）=式中负号是为了使Φ恒取正值而引入的。若（物体被加热），则用代替即可。然后求得从时间0到时刻间的总热流量：==（3—6）3、集总参数法的判别条件对形如平板、圆柱和球这一类的物体，如果毕渥数满足以下条件：=h(V/A)/0.1M（3-7）则物体中各点间过余温度的偏差小于5%。其中M是与物体几何形状有关的无量纲数。无限大平板：M=1无限长圆柱：M=1/2球：M=1/3毕渥数的特征长度为V/A，不同几何形状，其值不同，对于：厚度为2的平板：半径为R的圆柱：半径为R的球：由此可见，对平板：=Bi圆柱：=Bi/2球体：=Bi/3二、毕渥数与傅立叶数的物理意义1、1）定义：表征固体内部单位导热面积上的导热热阻与单位面积上的换热热阻（即外部热阻）之比。hBiv1越小，表示内热阻越小，外部热阻越大。此时采用集总参数法求解更为合适。2）物理意义：的大小反映了物体在非稳态导热条件下，物体内温度场的分布规律。2、1）定义：表征两个时间间隔相比所得的无量纲时间。alFov2分子τ是从边界上开始发生热扰动的时刻起到所计时刻为止的时间间隔。分母可视为边界上发生的有限大小的热扰动穿过一定厚度的固体层扩散到的面积上所需的时间。2）物理意义：表示非稳态导热过程进行的程度，越大，热扰动就越深入地传播到物体内部，因而物体内各点的温度越接近周围介质的温度。§3—3一维非稳态导热的分析解本节介绍第三类边界条件下：无限大平板、无限长圆柱、球的分析解及应用。如何理解无限大物体，如：当一块平板的长度、宽度厚度时，平板的长度和宽度的边缘向四周的散热对平板内的温度分布影响很少，以至于可以把平板内各点的温度看作仅是厚度的函数时，该平板就是一块“无限大”平板。若平板的长度、宽度、厚度相差较小，但平板四周绝热良好，则热量交换仅发生在平板两侧面，从传热的角度分析，可简化成一维导热问题。一、无限大平板的分析解已知：厚度的无限大平板，初温，初始瞬间将其放于温度为的流体中，而且，流体与板面间的表面传热系数为一常数。试确定在非稳态过程中板内的温度分布。解：如图3-5所示，平板两面对称受热，所以其内温度分布以其中心截面为对称面。对于x0的半块平板，其导热微分方程：(0x,)（3-8）定解条件：t(x,0)=(0x)（边界条件）（边界条件）引入过余温度：则（0x,）(3-9)(x,0)=(0x)（初始条件）（边界条件）（边界条件）对偏微分方程分离变量求解得：（3-10）其中离散值是下列超越方程的根，称为特征值。……（3-11）其中Bi是以特征长度为的毕渥数。由此可见：平板中的无量纲过余温度与三个无量纲数有关：以平板厚度一半为特征长度的傅立叶数、毕渥数及即：（3-12）二、非稳态导热的正规状况阶段1、平板中任一点的过余温度与平板中心的过余温度的关系前述得到的分析解是一个无穷级数，计算工作量大，但对比计算表明，当Fo0.2时，采用该级数的第一项与采用完整的级数计算平板中心温度的误差小于1%，因此，当Fo0.2时，采用以下简化结果：（3-13）其中特征值之值与Bi有关。由上式（3-13）可知：Fo0.2以后平板中任一点的过余温度(x，τ)与平板中心的过余温度(0，τ)=（τ）之比为：（3-14）此式反映了非稳态导热过程中一种很重要的物理现象：即当Fo0.2以后，虽然(x，τ)与（τ）各自均与τ有关，但其比值则与τ无关，而仅取决于几何位置（x）及边界条件（Bi）。也就是说，初始条件的影响已经消失，无论初始条件分布如何，只要Fo0.2，)(),(mx之值是一个常数，也就是无量纲的温度分布是一样的。由此可见，当Fo0.2时，非稳态导热过程进入正规状况阶段。2、在一个时间间隔内非稳态导热过程中传递的热量1）从物体初始时刻平板与周围介质处于热平衡，这一过程中传递的热量：（3-15）此值为非稳态导热过程中传递的最大热量。2）从初始时刻到某一时间τ，这段时间内所传递的热量：（3-16）3）之比：(3-17)其中：是时刻τ物体的平均过余温度，。对于无限大平板，当Fo0.2，将式（3-13）代入的定义式，可得：（3-18）对圆柱体、球体0.2时，无穷级数的解也可用第一项近似代替，并且及可表示为：（3-19）（3-30）其中：η为无量纲几何位置，对平板，对柱体及球体，R为外表面半径，系数A、B及函数的表达式取决于几何形状，见教材表3-2所示。三、正规阶段状况的实用计算方法当Fo0.2时，可采用上述计算公式求得非稳态导热物体的温度场及交换的热量，也可采用简化的拟合公式和诺模图求得。1、诺模图：工程技术中，为便于计算，采用按分析解的级数第一项绘制的一些图线，叫诺模图。2、海斯勒图：诺模图中用以确定温度分布的图线，称海斯勒图。首先根据（3—13）式给出随Fo及Bi变化的曲线（此时x/δ=0），然后根据（3—14）式确定的值，于是平板中任意一点的值便为：（3-21）同样，从初始时刻到时刻τ物体与环境间所交换的热量，可采用（3—15）、（3—17）作出曲线。3、诺模图法评述优点：简洁方便。缺点：准确度有限，误差较大。目前，随着计算技术的发展，直接应用分析解及简化拟合公式计算的方法受到重视。四、分析解应用范围的推广及讨论1、推广范围1）对物体被冷却的情况也适用；2）也适于一侧绝热，另一侧为第三类边界条件的厚为δ的平板；3）当固体表面与流体间的表面传热系数h时，即表面换热热阻0时，所以时分析解就是固体表面温度发生一突然变化然后保持不变时的解，即第一类边界条件的解。2、讨论Bi与Fo对温度场的影响：1）傅立叶数Fo：由(3-10)、(3-13)式及诺模图可知：物体中各点的过余温度随时间τ的增加而减小；而Fo与成正比，所以物体中各点过余温度亦随Fo的增大而减小。2）毕渥数BiBi对温度的影响从以下两方面分析：一方面，从教材图3—6可知，Fo相同时，Bi越大，越小。因为，Bi越大，意味着固体表面的换热条件越强，导致物体的中心温度越迅速地接近周围介质的温度；当Bi时，意味着在过程开始瞬间物体表面温度就达到介质温度，物体中心温度变化最快，所以在诺模图中1/Bi=0时的线就是壁面温度保持恒定的第一类边界条件的解。另一