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1、传热学第讲非稳态导传热学第讲非稳态导热热第1页，本讲稿共24页墙内温度分布示意假定内外墙表面对流换热系数不变初始条件的确定初始条件的确定热流密度：热流密度：初始温度分布：初始温度分布：外墙表面温度：外墙表面温度：数值解（自编程序）：（自编程序）：下面分两种解，自编程序求解和利用下面分两种解，自编程序求解和利用FLUET软件求解：软件求解：将墙体划分8等分，区域离散后的标记见图 共9个节点第2页，本讲稿共24页一维非稳态导热网格划一维非稳态导热网格划分及记号分及记号计算结果 右侧温度开始变化点在时间3492秒 当时间达到2900分时达到新的平衡分布（稳态导热状态）此时墙体散热热流密度为：此时墙体
2、散热热流密度为：第3页，本讲稿共24页时间为60s时间为600s第4页，本讲稿共24页时间为3000s时间为6000s第5页，本讲稿共24页时间为3492s时间为18000s第6页，本讲稿共24页时间为12000s时间为2900min第7页，本讲稿共24页利用利用FLUENT解：解：GAMBIT建模：建模：点击Update钮确定产生工作区图形 物理问题的几何形状 物理问题的几何面 工作区图形工作区图形 几何形状几何形状几何面几何面建模坐标系统 x最小值最小值0,最大值最大值30。y最小值最小值0,最大值最大值10。incrememt 各取各取10第8页，本讲稿共24页划分计算所需要的网格 x向
3、分向分15等分等分y向分向分4等分等分网格点网格点生成计算域内的网格 网格网格设置边界名称和类型 为方便先将网格关闭，点击为方便先将网格关闭，点击在在mesh项点项点Off，再点，再点Apply在在Specify Boundary Types中中对对4个边界取名并各设置为个边界取名并各设置为Wall类型类型第9页，本讲稿共24页设置好的边界面列表如下设置好的边界面列表如下关闭对话框 保存数据 点选择菜单中的File，选Export，选Mesh，在对话框图中，选定Export2-D(X-Y)Mesh项，File Name框中填入文件名unsteady后，点击Accept，点击Close保存网格文
4、件。FLUENT计算计算启动FLUENT程序 读入网格文件：FileReadCase第10页，本讲稿共24页找到文件D:heatconductiononedimunsteady.msh，读入。检查网格以确保网格质量 确定几何区域的长度单位 GridScaleGrid Was Created In的下拉菜单中选择cm 注意，此处可选的单位是米，厘米和毫米三种，故在注意，此处可选的单位是米，厘米和毫米三种，故在GAMBIT建模时要建模时要预先考虑到。预先考虑到。结果：结果：确定求解方程 对于导热问题，只有一个能量方程（导热微分方程）DefineModelsEnergy 选中选中（先计算初始时稳态的
5、温度分布值）（先计算初始时稳态的温度分布值）第11页，本讲稿共24页设置导热体的物性参数：DefineMaterias，在材料项选择固体（Solid）取名brick，导热系数0.85 W/mK，热容量 1.05106 J/(m3K)，（密度1900kg/m3,比热容552.6J/kgK）边界条件设置：DefineBoundary Conditions，在边界条件设置对话框内点击Zone区域中的fluid，再点击Type区域中的solid后按Yes按钮、点击OK按钮，计算域为固体。接下来依次对bottom、left、right和top四个边界设定边界条件 bottom和top分别是绝热条件，设置
6、热流密度为0。left、right分别是对流换热条件，按题数据设置。初时核算出外界温度为初时核算出外界温度为3.55。第12页，本讲稿共24页解的设置 SolveControlSolution，在Equation框内选择Energy项后点击OK。初始化：SolveInitializeInitialize，无须设置点击Init。设置迭代计算前后两次的误差监视窗：SolveMonitorsResidential，在对话框中选Plot，点击OK。迭代计算：SolveIterate，在对话框中填入迭代次数，点击Iterate进行计算。右图是迭代情况右图是迭代情况先按稳态导热进行计算先按稳态导热进行计算
7、第13页，本讲稿共24页DefineModelsSolver 选Unsteady，选implicity（隐格式）按初时的稳态条件计算得到下列温度分布按初时的稳态条件计算得到下列温度分布这就是下面计算所需要的初始温度分布条件这就是下面计算所需要的初始温度分布条件下面开始非稳态问题的计算下面开始非稳态问题的计算更改新的边界条件：更改新的边界条件：第14页，本讲稿共24页将左侧边界条件中的流体温度更改为将左侧边界条件中的流体温度更改为263KDefineBoundary Conditions，left:中设置温度为263K SolveIterate，在对话框中time step size(s)中填入
8、时间步长1s，在Number of time steps中填入60，点击Iterate进行计算。60秒时壁秒时壁内的温度内的温度分布分布第15页，本讲稿共24页时间为时间为600s时的温度分布时的温度分布第16页，本讲稿共24页时间为时间为2960分时的温度分布分时的温度分布右侧：热流密度右侧：热流密度5.448949/0.1=54.49W/m2左侧：热流密度左侧：热流密度5.511459/0.1=55.11W/m2第17页，本讲稿共24页时间时间3960秒秒第18页，本讲稿共24页Chapter 6 Fundamentals of Convection6.1 Basic IdealsNewt
9、ons Law of CoolingW/m2 Actually this is the Definition of Convection Heat Transfer Coefficient h.W/m2Kh is dependent on many VariablesHow to know all these variables?The Fluid layer contacting with solid surface No slip!The Heat transferred through this layer must be Conduction!第19页，本讲稿共24页This Rela
10、tionship shows that the following two aspects should be taken in consideration.Balancing1)The fluid Properties;2)The fluids Bulk Motion.Why the bulk motion?This will change the Temperature distribution of the fluid adjacent to the surface!1)The fluid Properties;k -the ability of conduction-the capac
11、ity of heat thermal-influencing bulk motion第20页，本讲稿共24页2)The fluids Bulk Motion.V V -Flow speed,velocity6.2 Boundary LayerVVTsVelocityThermalThe flow friction makes the boundary layerWithin it,the velocity form 0(attached on the plane)to 0.99u,and the thickness increases as x directionFor the veloci
12、ty=0 sub layer,conduction happens第21页，本讲稿共24页In thermal layer,as heat transfer occurs,the thickness also will happen and increase with the direction of x.Suppose the temperature change in this layer on y direction linear,the coefficient will be like:This mean:the h will change as the thermal or velo
13、city layer thickness orThe thickness of velocity layer and thermal layer are related as:If Pr1,the thermal layer thickness will be greater than the velocitys.第22页，本讲稿共24页With x direction,the changing of h will be like the figure shown below:hxProblem discussing:bVaVVAs the heat transfer area,velocity are the same,which situation the average heat transfer coefficient will be greater?第23页，本讲稿共24页6.3 Laminar Flow Passing a PlateThe result will be:Pohlhausens solution:第24页，本讲稿共24页