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1、动力工程及工程热物理学科研究生高等传热学（32课时）高等传热学内容第一章第一章 导热理论和导热微分方程导热理论和导热微分方程第二章第二章 稳态导热稳态导热 第三章第三章 非稳态导热非稳态导热 第四章第四章 凝固和熔化时的导热凝固和熔化时的导热 第五章第五章 导热问题的数值解导热问题的数值解 第六章第六章 对流换热基本方程对流换热基本方程 第七章第七章 层流边界层的流动与换热层流边界层的流动与换热 第八章第八章 槽道内层流流动与换热槽道内层流流动与换热 第九章第九章 湍流流动与换热湍流流动与换热 第十章第十章 自然对流自然对流 第十一章第十一章 热辐射基础热辐射基础 第十二章第十二章 辐射换热计
2、算辐射换热计算 第十三章第十三章 复合换热复合换热 第一章第一章 导热理论和导热微分方程导热理论和导热微分方程u相互接触的物体各部分之间依靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而传递热量的过程称为导热。在纯导热过程中物体各部分之间没有宏观运动。u与固体物理的理论研究方法不同，传热学研究导热问题时不是对导热过程的微观机理作深入的分析，而是从宏观的、现象的角度出发，以实验中总结出来的基本定律为基础进行数学的推导，以得到如温度分布、温度-时间响应和热流密度等有用的结果。1-1 导热基本定律导热基本定律u1-1-1 温度场温度场由于传热学以宏观的、现象的方式来研究导热问题，因此必须引入连续介质假定，
3、以便用连续函数来描述温度分布。温度场就是在一定的时间和空间域上的温度分布。它可以表示为空间坐标和时间的函数。由于温度是标量，温度场是标量场。常用的空间坐标系有三种：直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。在直角坐标系中，温度场可以表示为u（1-1-1）u式中：t表示温度；x、y、z为三个空间坐标；表示时间。u若温度场各点的温度均不随时间变化，即，则称该温度场为稳态温度场，否则为非稳态温度场。若温度场只是一个空间坐标的函数，则称为一维温度场；若温度场是两个或三个空间坐标的函数，则称为二维或三维温度场。u1-1-2 等温面与温度梯度等温面与温度梯度u物体内温度相同的点的集合所构成的面叫做等温面。对应不同温
4、度值的等温面构成等温面族。等温面与任一截面的交线形成等温线。由于等温线具有形象直观的优点，二维温度场常用等温线来表示温度分布。u由于在同一时刻物体的一个点上只能有一个温度值，所以不同的等温面不可能相交。它们或者在域内形成封闭曲线，或者终止于物体的边界。u如图1-l所示，在物体内某一点P处，沿空间某一方向l的温度的变化率1-1 导热基本定律导热基本定律称为温度场沿该方向的方向导数。1-1 导热基本定律导热基本定律图1-l等温线和温度梯度u因为沿等温面方向温度不变，所以温度场在等温面方向的方向导数为零。对于确定的空间点，在空间各方向上最大的方向导数称为该点的梯度。所以，温度梯度是一个向量。温度梯度
5、的方向是温度增加最快的方向，它的模（大小）等于最大的方向导数。温度梯度可以记作gradt或t。温度梯度在任一方向l的投影就是该方向的方向导数。若l方向与gradt的夹角为，则u（1-1-3）u其中l是l方向的单位向量；显然，温度梯度垂直于过该点的等温面。1-1 导热基本定律导热基本定律u在直角坐标系中。温度梯度在三个坐标轴上的投影分别为、，则有u（1-1-4）u其中i、j、k分别为x、y、z在坐标轴上的单位向量。在一般的正交坐标系中梯度的表达式将在以后讨论。u连续温度场内的每点都对应一个温度梯度向量，所以温度梯度构成一个向量场。1-1 导热基本定律导热基本定律u1-1-3 热流向量热流向量u单
6、位时间内通过单位面积传递的热量称为热流密度，记作q，单位为W/m2。对确定的空间点、在不同方向上热流密度是不同的。与定义温度梯度的方法一样，可以定义一点处的热流向量。热流向量的方向是热流密度最大的方向，其大小等于该方向的热流密度。热流向量记作q。任一方向的热流密度等于热流向量在该方向的投影。在连续温度场内的每一点都对应一个热流向量，所以热流向量也构成一个热流向量场，或称热流场。在直角坐标系中u（1-1-5）1-1 导热基本定律导热基本定律u1-1-4 傅里叶定律傅里叶定律u以实验观察为基础并经过科学的抽象，1822年法国数学物理学家傅里叶（JosephFourier）提出了把温度场和热流场联系
7、起来的基本定律。对于各向同性（材料的导热系数不随方向改变）的物体，傅里叶定律可表述为：热流向量与温度梯度成正比，方向相反。因为温度梯度是指向温度升高的方向，而根据热力学第二定律，热流总是朝着温度降低的方向，或用数学形式表示为u（1-1-6）u其中称为材料的导热系数。1-1 导热基本定律导热基本定律u把式（1-1-4）、（1-l-5）代入式（1-1-6），可得傅里叶定律在直角坐标系中的投影表达式为u（1-1-7）u傅里叶定律适用于稳态和非稳态的、无热源和有热源的温度场，也适用于常物性和物性随温度改变的情况。但对于各向异性材料将必须作一定的修改。1-1 导热基本定律导热基本定律u傅里叶定律建立了温
8、度场和热流场之间的联系，温度场确定之后热流场就被唯一地确定，并且可进一步求得经物体内部或边界上任意表面传导的热流量Q（如图1-2所示）：u（1-1-8）u（1-1-9）u其中，dA是面积元向量，方向为表面的外法线方向。1-1 导热基本定律导热基本定律图1-2通过任意表面的热流量u1-1-5 导热系数导热系数u傅里叶定律的另一个作用就是定义了导热系数，即u（1-1-10）u在导热分析中，导热系数是一个重要的物性参数，在给定温度梯度的条件下热流密度的大小正比于导热系数。在国际单位制中，导热系数的单位是W/(mK)。导热系数与材料的种类及其所处的状态有关。固体、液体与气体，金属与介电质的内部结构不同
9、，导热的机理也有很大的差异。u对于绝大多数材料，现在还不能根据其结构和导热机理来计算其导热系数。各种实际应用材料的导热系数主要是通过实验的方法得到的。目前已有一系列不同的实验方法可用来测定各种材料在不同温度范围内的导热系数，特别是20世纪60年代以来发展起来的多种非稳态的方法，由于其测试时间短（几秒至几十秒）、适应性强等优点，已被广泛采用。1-1 导热基本定律导热基本定律u一般来说，材料的导热系数是温度的函数。大多数纯金属的导热系数随温度的升高而减小，而气体与介电材料的导热系数随温度的升高而增加。在极低温条件下（0-60K），金属的导热系数随温度有剧烈的变化，且可以达到很高的值。例如，纯铜在1
10、0K时的导热系数可达1.9104W/(mK)。对于液体和气体，特别是在接近临界状态的条件下，导热系数还与压力有关。接近真空的稀薄气体中的传热已不属于经典的导热过程。u在求解导热问题时常常假定导热系数是常量，即不随温度变化。根据傅里叶定律，此时热流与温度梯度成线性关系，问题的求解可以得到很大简化。在需要考虑导热系数随温度变化而温度变化范围又不太大时，工程上常用线性关系来近似导热系数与温度的关系，即u（1-1-11）1-1 导热基本定律导热基本定律u为了对各种材料导热系数的大小有一个数量级的概念，一些典型材料在通常工程温度范围内的导热系数的范围列于下面：u金属50-415W/(mK)u合金l2-1
11、20W/(mK)u非金属液体0.17-0.7W/(mK)u隔热材料0.02-0.17W/(mK)u大气压力下的气体0.007-0.17W/(mK)u从以上数据可以看到，在通常的温度范围内导热性能最好的材料与最差的材料相比，导热系数大约相差5个数量级。这虽然是相当悬殊的差别，但从实际应用的需要来看，导热材料和隔热材料在导热性能上的反差仍显得太小。1-1 导热基本定律导热基本定律半无限大的物体半无限大的物体引入过余温度引入过余温度问题的解为问题的解为 误差函数误差函数 无量纲变量无量纲变量误差函数：误差函数：令令说明说明:一旦物体表面发生了一个热扰动，无论经历多么一旦物体表面发生了一个热扰动，无论
12、经历多么短的时间无论短的时间无论x有多么大，该处总能感受到温度的变有多么大，该处总能感受到温度的变化。化。无量纲无量纲坐标坐标傅里叶定律的局限性u热扰动应该以一定的速度传播。修正的傅里叶定律ua热扩散率uc热传播速度u松弛时间在深冷时或在热负荷急剧变化的场合，左边第一项不能略去。俄罗斯流变学家AlxanderMalkin的流变学教材Rheology:Concepts,MethodsandApplications在第2章介绍粘弹性的时候，专门用一块小字号的阅读材料来解释什么叫松弛时间而且是作为物理学的一般性概念来介绍，简短明快，值得借鉴。uRelaxationtimegeneralconcept
13、inphysicsuTheconceptofrelaxationhasageneralmeaningformanyphysicalphenomena.Itisareflectionofanideaofrestoration of equilibrium state from a nonequilibrium condition,regardlessofthereasonswhichcausedthedeparturefromequilibrium.Forexample,thiscanbeconcentrationfluctuationcausedbypurelystatisticalreaso
14、nsaswasconsideredbyMaxwell.LettheequilibriumvalueofsomephysicalparameterbeX,currentvalueofthisparameterbeX,andletitbesupposedthattherateofapproachofequilibriumisproportionaltothedistancefromtheequilibrium.Thisassumptionimmediatelyleadstothefollowingfirst-orderkineticequation:wherekisakineticratecons
15、tantwiththedimensionofreciprocaltime.uTheparameterXintheinitialstateequalstoX0.Then,thesolutionofthisequationisNow,ifX=0,thenthesimplestformofthisequationis(*)uThelasttwoequationsdescribetherelaxationprocess,andthevalueofiscalledtherelaxation time.Itsvaluecharacterizesthe rate of approch of the equi
16、librium(but not the complete time necessary to reach this equilibrium because it is infinitely largeaccordingtoequation*）.u松弛时间：温度场的重新建立滞后于热扰动改变的时间。1.2 导热问题的数学描述（数学模型）导热问题的数学描述（数学模型）1.1.1.1.导热微分方程式导热微分方程式导热微分方程式导热微分方程式导热微分方程式导热微分方程式导热微分方程式导热微分方程式+单值性条件单值性条件单值性条件单值性条件建立数学模型的目的：求解温度场建立数学模型的目的：求解温度场建立数
17、学模型的目的：求解温度场建立数学模型的目的：求解温度场假设：假设：假设：假设：1 1 1 1）物体由各向同性的连续介质组成）物体由各向同性的连续介质组成）物体由各向同性的连续介质组成）物体由各向同性的连续介质组成；2 2 2 2）有有有有内内内内热热热热源源源源，强强强强度度度度为为为为 ，表表表表示示示示单单单单位位位位时时时时间间间间、单单单单位位位位体体体体积积积积内内内内 的生成热，单位为的生成热，单位为的生成热，单位为的生成热，单位为W/mW/m3 3 ；1 1 1 1）选取物体中的微元体作为研究对象；）选取物体中的微元体作为研究对象；）选取物体中的微元体作为研究对象；）选取物体中的
18、微元体作为研究对象；导热数学模型的组成：导热数学模型的组成：导热数学模型的组成：导热数学模型的组成：方法：方法：方法：方法：2 2 2 2）依依依依能能能能量量量量守守守守恒恒恒恒,根根根根据据据据傅傅傅傅里里里里叶叶叶叶定定定定律律律律，建建建建立立立立微微微微元元元元体体体体的的的的热热热热平平平平 衡方程式衡方程式衡方程式衡方程式归纳、整理，最后得出导热微分方程式。归纳、整理，最后得出导热微分方程式。归纳、整理，最后得出导热微分方程式。归纳、整理，最后得出导热微分方程式。3 3）热导率、比热容和密度均为已知。热导率、比热容和密度均为已知。热导率、比热容和密度均为已知。热导率、比热容和密度
19、均为已知。理论基础：理论基础：Fourier 定律定律 +能量守恒定律能量守恒定律 导热微分方程式导热微分方程式dyyxodx根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量+微元体内热源的生成热微元体内热源的生成热-导出微元体的总热流量导出微元体的总热流量=微元体热力学能的增量微元体热力学能的增量a a 导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量b 导出微元体的总热流量导出微元体的总热流量 c 内热源的生成热内热源的生成热 d 热力学能的增量热力学能的增量 a、b、c、d 代入能量守恒定律得：代入能量守恒定律得：三维、非稳态、变物性、有内热源的导热微分方程。三维、非
20、稳态、变物性、有内热源的导热微分方程。导导导导热热热热微微微微分分分分方方方方程程程程式式式式建建建建立立立立了了了了导导导导热热热热过过过过程程程程中中中中物物物物体体体体的的的的温温温温度度度度随随随随时时时时间间间间和和和和空空空空间间间间变化的函数关系。变化的函数关系。变化的函数关系。变化的函数关系。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u固体导热问题的数学描述包括导热微分方程和单值性条件。u由于所考虑的导热体系是静止的，与外界没有功的交换，所以体系得到的热量应该等于体系内能的增加。体系得到的热量可以有两部分：一部分是由于导热通过体系的界面传入的热量，另一部分是由于内热源
21、（化学反应、电加热等）的发热而产生的热量。参照图1-3，导热体系的体积为V，表面为A。单位时间内通过表面A由导热进入体系的热量为图1-3导热微分方程的推导1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u（1-2-1）u其中dA是指向外法线方向的面积元向量，负号表示热流指向体系内部（与表面的外法线方向相反）。这里应用了散度定理把面积分转换为体积分，其中u（1-2-2）u称为热流向量q的散度。u内热源的体积发热率qv是单位时间内单位体积的内热源的发热量，在国际单位制中的单位是W/m3。一般来说，它可以是坐标和时间的函数，记为qv(r,)。由此，单位时间内体积V中内热源产生的热量为u（1-2-
22、3）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u单位时间内体积V中热量的增加Q3为u（1-2-4）u对导热体系建立能量平衡方程，则有u（1-2-5）u（1-2-6）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u由于式（1-2-6）对于整个或部分空间域是普遍适用的，它对体系内的任一微元体积也成立。这样，可以把积分号去掉，由此得到u（1-2-7）u根据傅里叶定律，热流向量可以由温度梯度得到。把式（1-1-6）代入方程（1-2-7）可以得到含有内热源的各向同性物体中的导热微分方程：u（1-2-8）u如果导热系数不随空间位置和温度而变化，则以上方程可简化为u（1-2-9）u式中：2称
23、为拉普拉斯算子；称为热扩散率或导温系数。热扩散率是材料的热物理性质，在国际单位制中的单位是m2/s。热扩散率表征材料内部温度趋于均匀的能力。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u在常物性且没有内热源的情况下，方程（1-2-9）进一步简化为扩散方程，或称傅里叶方程：u（1-2-10）u在稳态条件下，则有内热源时方程（1-2-9）简化为泊松方程：u（1-2-11）u稳态而无内热源时上式进一步简化为拉普拉斯方程：u（1-2-12）u泊松方程和拉普拉斯方程是典型的椭圆型偏微分方程。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u在常物性条件下，非稳态导热由方程（1-2-9）描述。
24、这种方程在偏微分方程的分类中称为扩散方程，或抛物线型方程。扩散方程的特点是，物体在某一处受到的温度（或热）的扰动将以无限大的速度传播到物体中的各处，也就是在距离扰动源无限远处也能瞬时地感受到该扰动的作用。u导热过程是依靠微观粒子的热运动而引起的物体内能的迁移，认为它的传播速度是无限大在物理概念上显然是不合适的。随着现代科学技术的发展，在一些极端的条件下，例如时间极短（s或ns量级）的激光脉冲加热，以及接近0K（绝对零度）的超低温固体氦中，发现导热的规律与扩散方程指示的结果有明显的差异。为此有人建议，描述非稳态导热的控制方程应该是衰减的波动方程。u（1-2-13）1-2 固体导热问题的数学描述固
25、体导热问题的数学描述u这一方程不是抛物线型的，而是双曲线型的，其中0称为松弛时间，称为热传播速度。由此，式（1-2-13）又可写作u（1-2-14）u在或的极限情况下，上式退化为常规的导热微分方程（1-2-10）。对于绝大多数的实际问题，上式等号左边两项中的第一项要比第二项小很多，可以相差达10个数量级，因此完全可以忽略不计。但是对于极短的时间，或是极低的温度的问题，热传播速度为有限值的影响就可以表现出来。u这也从另一个侧面说明傅里叶定律只是从实际经验和实验中抽象出来的表象性的规律，因而在适用范围上有局限性。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u1-2-1 正交坐标系中导热微分
26、方程的表达式正交坐标系中导热微分方程的表达式u在解决实际的导热问题时，物体的形状各式各样，首先需要选择适当的坐标系，以减少自变量的数目和便于边界条件的表达。一般来说，空间的一个点可由三个独立的参数确定，这三个参数组成一个坐标系。如果在空间任一点处沿坐标轴方向的单位向量都两两垂直，则称该坐标系为正交坐标系。最常用的坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系，它们都是正交坐标系。u设有一正交坐标系如图l-4所示，是它的三个坐标轴，相应的坐标轴方向的单位向量为。正交坐标与直角坐标x、y、z之间的函数关系为1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述图1-4正交坐标系1-2 固体导热问题的数学描述
27、固体导热问题的数学描述uu在正交坐标系中任一点P处取正交微元六面体，相应的坐标增量，对应的曲线微段的弧长为。（1-2-15）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u令u（1-2-18）u则式（1-2-17）可以写作u（1-2-19）u称为拉梅系数，或称度规系数。如果己知直角坐标系和正交坐标系之间的函数关系式（1-2-15），则可由式（1-2-18）确定拉梅系数。得到拉梅系数后，就可导得正交微元六面体中各个微元面积的表达式：u（1-2-20）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u或写作u（1-2-21）u其中。正交微元六面体中微元体积的表达式为u（1-2-22）u根
28、据梯度、散度等基本量的定义，可以得到它们在正交坐标系中的一般表达式。它们是u（1-2-23）u（1-2-24）（1-2-25）二、梯度首先将算符按三个互相正交的基矢方向分解，得随后将球坐标与柱坐标系的拉梅系数代入即得梯度，对于球坐标，有(24)对于柱坐标，有(25)三、散度与直角坐标系中采用的方法一样，从散度的定义式(26)出发，计算矢量场穿过图A1.8中留个面元的通量。首先，矢量场穿出左、右两个面元的通量为：注意，上式不仅E1，而且E1,H2,H3一般在左、右两面元上所取的值不相同，因为H2与H3一般为坐标的函数，写成(27)式最后那种形式是为了便于找出规律性。于是，穿出前后两个面元的通量为
29、：(27)(29)(28)穿出上、下两个面元的通量为：综合上述，矢量场穿出图A1.8中体积元左、右、前、后、上、下六个面的总通量为将上式及体积元的体积dV=H1H2H3dq1dq2dq3，代入(26)式，即有对于球坐标系，将H1=1,H2=R,H3=Rsin 代入，得(30)(31)（1-2-25）（1-2-24）（1-2-23）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u把式（1-2-23）（1-2-25）代入以上导得的方程，例如适用于变导热系数时的导热微分方程（1-2-8），可得相应的在一般正交坐标系中的导热微分方程为u（1-2-26）u在直角坐标系（x，y，z）中，三个坐标轴均
30、为直线，因此有。对于如图1-5所示的柱坐标系（r，z），其坐标与直角坐标之间的关系为u，1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述图1-51-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u令、，则由式（1-2-18）可得u（1-2-27）u同样地，对于球坐标系（r，）有u，u则可以导得球坐标系中的拉梅系数为u（1-2-28）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u由此得直角坐标系中的拉普拉斯算子表达式为u（1-2-29）u在柱坐标系（r，z）和球坐标系（r，）中，拉普拉斯算子的表达式分别u（1-2-30）u（1-2-31）1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的
31、数学描述u1-2-2 导热过程的单值性条件导热过程的单值性条件u单值性条件包括以下各项：u几何条件说明参与过程物体的大小和形状。如果是各向异性材料，还应给出导热系数主轴的方向。u物理条件给定各种有关物理量的值，包括随温度变化的函数关系、有无内热源以及内热源的大小和分布。参考温度时的导热系数参考温度时的导热系数 在一定温度范围内，大多数工程材料导热系数可以近似在一定温度范围内，大多数工程材料导热系数可以近似认为是温度的线性函数。认为是温度的线性函数。时间条件时间条件说明过程在时间上的特点。稳态过程不说明过程在时间上的特点。稳态过程不需要时间条件；对于非稳态过程，则要给出初始温度需要时间条件；对于
32、非稳态过程，则要给出初始温度分布，即初始条件。分布，即初始条件。边界条件边界条件描述在区域边界上过程进行的特点。描述在区域边界上过程进行的特点。几何条件和物理条件通常体现在导热微分方程的简化几何条件和物理条件通常体现在导热微分方程的简化和坐标系的选取中，而时间条件和坐标系的选取中，而时间条件(对非稳态问题对非稳态问题)和边和边界条件则体现为单独的数学表达式。界条件则体现为单独的数学表达式。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u第一类边界条件给定边界上的温度。一般情况下，边界上的温度可以是时间和位置的函数，并可表示为如下的形式：u在边界面S处（1-2-32）u第二类边界条件给定所
33、求函数在边界上的法向导数值，在导热问题中等同于给定边界上的法向热流密度。一般情况下，边界上的热流密度可以是时间和位置的函数，并可表示为如下的形式：u在边界面S处（1-2-33）u绝热边界满足，是第二类边界条件的一个特例。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u第三类边界条件给定所求函数在边界上的函数值和法向导数值的线性组合，在导热问题中等同于结定外界介质的温度和边界上的对流换热表面传热系数，由此又称为对流边界条件。u在边界面S处（1-2-34）u式中：等号左边是在表面外法线方向上物体内部导热的热流密度；等式右边是物体表面通过牛顿冷却定律传递给环境的热量。u第一类边界条件和第二类（
34、绝热）边界条件都可以看作是第三类边界条件的特例。如果h0，则第三类边界条件转化为绝热边界条件；如果h，则有，第三类边界条件转化为第一类边界条件。例如，对于图1-6所示的与x方向垂直的两个表面，其边界条件应分别为1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述图1-6对流边界条件和外法线方向1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u除了由单一非复合材料组成的物体外，还需要确定物体的内部条件，用以表征诸如交界面热阻和交界面反应这样一些影响。最常见的情形是在求解复合区域的导热问题时需要列出区域分界面上的边界条件。u通过交界面的热交换是由通过真正接触点的导热、通过截留在缝隙内的流体的导
35、热以及通过缝隙的辐射传热这三种机理综合进行的。结合处的总热导是由接触材料（它们的导热系数、表面粗糙度、不平度以及硬度）、接触压力、结合处的平均温度和热流、缝隙内流体的性质（液体、气体、真空）、是否存在氧化皮或填隙材料等一系列因素决定的。通过两种不同材料1和2间粗糙接触面的稳态导热状况如图1-7所示，接触面附近可能存在一明显的温度跃变。定义一假想的交界面温降t，它是由两种材料远离接触面处按线性变化的实际温度外推至中心线得出的。在稳态热流q的情况下，单位交界面接触热阻定义为1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述图1-7交接面上的接触热阻图1-8理想接触时的边界条件1-2 固体导热问题
36、的数学描述固体导热问题的数学描述u（1-2-35）u对于理想接触，温降等于零，Rc0。在这种情况下，内部边界条件就是温度分布和热流在交界面上连续，即在如图1-8所示的系统中，分界面上的边界条件可写作u（1-2-36）u其中两个偏导数的正方向为两区域各自的外法线方向，因此式中出现负号。这样的边界条件也有称为第四类边界条件的。1-2 固体导热问题的数学描述固体导热问题的数学描述u如果在界面上有接触热阻存在，则温度分布在界面上不再连续，以上边界条件应改为u（1-2-37）u提高压紧两种材料的压力可以增加随机性质的点接触和大尺度的面接触，因为压紧可以使凹凸不平的面配合紧密，可以克服被波纹不平度造成的非
37、理想接触，还可以使两种较软材料发生弹性和塑性变形。为了降低接触热阻也可以人为地在接触面之间插入容易变形的高导热系数的填隙材料。u此外，也有一些导热问题的边界条件是非线性的。如热辐射边界条件的热流与边界温度的四次幂有关；自然对流边界条件的热流正比于温差的5/4或4/3次方。与相变（如熔化、凝固、烧蚀）相联系的边界条件也是非线性的。u表示的傅里叶定律只适用于各向同性材料。在工程实际中也可能遇到各向异性材料，它们的物性在空间的各个方向上不相同。如晶体材料、木材、石墨和沉积岩等是典型的各向异性材料；层压的复合材料、硅钢片叠加而成的铁芯等，在宏观上也有各向异性的特征。u各向异性材料导热与各向同性材料重要
38、差别：u一、各向异性材料沿各方向的导热系数不同；u二、各向异性材料在某一方向上的热流密度分量不仅与该方向上的温度变化率有关，而且还与其垂直方向上的温度变化率有关。1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u在各向异性材料内部，温度场、等温面和温度梯度的概念仍适用，热流向量的定义也不变。但此时导热系数不再是一个与方向无关的标量，即从一点出发，沿各个方向的导热系数不同。热流向量的分量，例如qx，一般取决于沿x、y、z三个方向的温度梯度的线性组合。在直角坐标系中可表示为u（1-3-1）1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u由此可见，对于各向异性材料，热流向量与温度梯度不再共线，亦即
39、热流向量不再垂直于通过考察点的等温面。上式写成向量的形式为u（1-3-2）u其中u是各向异性材料的导热系数，由9个导热系数分量组成。式（1-3-1）就是各向异性材料中的傅里叶定律在直角坐标系中的表达式，同样地建立了各向异性材料中温度场与热流场的联系。u虽然温度梯度和热流向量以及它们之间的关系是客观存在的，不依坐标的取向而变化，但是它们在坐标轴上的投影，特别是各导热系数分量的值将随坐标取向的变化而变化。因此首先要研究导热系数分量在不同坐标系中的变换。1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热图1-9直角坐标系原点的旋转1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u当坐标系（x，y，z）
40、绕原点O旋转一个角度后，得到新坐标系（），如图1-9所示。新旧坐标的关系为u（1-3-3）u或简写成（1-3-4）u其中u，1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u热流向量与温度梯度的联系在新坐标系（）内表示为u（1-3-5）u用表示上述导热系数矩阵，即1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u利用线性代数中有关线性变换的知识，或根据张量的坐标变换的性质，可以导得在不同坐标系中导热系数矩阵之间的关系：u（1-3-6）u根据线性变换的性质，总可以选择一个适当的坐标系，记为（，），使矩阵进一步转换为对角矩阵，即把式（1-3-1）转换为u（1-3-7）u亦即u，（1-3-8）1-3
41、 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u此时坐标系（，）称为导热系数的主轴，称为各向异性材料的三个主导热系数。u以下仅就二维问题为例说明各向异性材料中导热问题的特点。图1-10表示一块各向异性材料，其中斜线是表示各向异性特征的，与是导热系数的主轴，分别为这两个方向的主导热系数。u如果z坐标轴与另一个导热系数主轴重合，且有，则由式（1-3-8）得。该问题是一个二维问题。u在坐标系（，）中u，1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热图1-10各向异性材料中的二维导热1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u在坐标系（x，y）中u（1-3-9）u根据不同坐标系中导热系数矩阵的换算
42、关系式（1-3-6），可得u（1-3-10）u其中C表示坐标系（x，y）和（，）间的变换矩阵：u（1-3-11）1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u将式（1-3-11）代入式（1-3-10），经矩阵乘法运算，可得u（1-3-12）u将求得的导热系数分量代入式（1-3-1），可得u（1-3-13）u把以上结果代入导热微分方程的普遍形式式（1-2-7），就可以导得各向异性材料中的二维导热微分方程：1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u（1-3-14）u注意，方程中出现了混合偏导数。但如果使坐标系与各向异性材料导热系数主轴相一致，即使=0，则以上方程可简化为u（1-3-15
43、）u在如图1-10所示的各向异性平板的二维导热系统中，如果维持两个壁面的温度均匀，则有u，1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u即温度梯度的方向与y轴重合。此外，由式（1-3-13）可得u（1-3-16）u（1-3-17）u因此，从这个具体的实例中也可看到，对于各向异性材料，即使有，一般来说qx也不一定等于零，除非再满足以下两个条件之一：或者有，此时变为各向同性材料；或者有=0或=/2，此时温度梯度的方向与某一导热系数主轴重合。1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u此外，在这种特定的情况下，如果把式（1-3-17）写成u（1-3-18）u则u（1-3-19）u可以看成是给定主轴方向的复合平板在厚度方向的导热系数。当角在0/2之间变化时，在和之间变化。注意到椭圆的参数方程是u（1-3-20）u其中a、b分别是椭圆的两个主轴。因此可知随按椭圆规律变化，椭圆的两个主轴分别是和。1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热图1-11各向异性材料二维平板中的导热系数1-3 各向异性材料中的导热各向异性材料中的导热u对于像木材这样的各向异性材料，在沿木纹方向z、贯穿木纹的径向r以及沿周向具有不同的导热系数。如果采用柱坐标系，并使z轴与木材的中心重合，则导热微分方程变为u（1-3-21）