《工程热力学与传热学稳态热传导基本概念.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学与传热学稳态热传导基本概念.pptx（56页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、会计学1工程热力学与传热学工程热力学与传热学稳态热传导稳态热传导基本基本概念概念两个不同的物体温度较高的物体把热量传递给与之接触两个不同的物体温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体。的温度较低的另一物体。第1页/共55页同一物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分同一物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分第2页/共55页本章要点：本章要点：本章要点：本章要点：1.1.着重掌握着重掌握着重掌握着重掌握导热的基本概念导热的基本概念导热的基本概念导热的基本概念和和和和傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律的应用的应用的应用的应用2.2.着重掌握着重掌握着重掌握着重
2、掌握平壁、平壁、平壁、平壁、圆筒圆筒圆筒圆筒壁壁壁壁导热导热导热导热的基本计算方法的基本计算方法的基本计算方法的基本计算方法本章难点：本章难点：本章难点：本章难点：温度场及其求解温度场及其求解温度场及其求解温度场及其求解本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节第一节第一节 导热基本定律导热基本定律导热基本定律导热基本定律-傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律 第二节第二节第二节第二节 导热问题的数学描述导热问题的数学描述导热问题的数学描述导热问题的数学描述 第三节第三节第三节第三节 典型一维导热问题的分析解典型一维导热问题的分析解典型一维导热问题的分析解典型一维
3、导热问题的分析解 第四节第四节第四节第四节 通过肋片的导热通过肋片的导热通过肋片的导热通过肋片的导热 第3页/共55页一、一、导热导热基本概念基本概念1.1.温度场温度场(temperature field)(temperature field)(temperature field)(temperature field)：某一时刻（或瞬间）物体中某一时刻（或瞬间）物体中 各点温度的分布的总称。各点温度的分布的总称。t=(x,y,z,t=(x,y,z,)第一节第一节第一节第一节 导热基本定律导热基本定律导热基本定律导热基本定律-傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律第4页/共55页稳态温度场：
4、物体各点的温度不随时间变动；稳态温度场：物体各点的温度不随时间变动；稳态温度场：物体各点的温度不随时间变动；稳态温度场：物体各点的温度不随时间变动；非稳态（瞬态）温度场：物体的温度分布随时间改变。非稳态（瞬态）温度场：物体的温度分布随时间改变。非稳态（瞬态）温度场：物体的温度分布随时间改变。非稳态（瞬态）温度场：物体的温度分布随时间改变。第5页/共55页 2.2.等温面等温面(Isothermal surface)(Isothermal surface)（线）：（线）：同一时刻物体中温度同一时刻物体中温度 相同的点连成的面（或线）。相同的点连成的面（或线）。特点特点：（：（1 1）同一时刻，不
5、同等温线（或面）不可能相交；）同一时刻，不同等温线（或面）不可能相交；（2 2）传热仅发生在不同的等温线（或面）间；）传热仅发生在不同的等温线（或面）间；（3 3）由等温线（或面）的疏密可直观反映出不同区域）由等温线（或面）的疏密可直观反映出不同区域 热流密度的相对大小。热流密度的相对大小。第6页/共55页3.3.温度梯度温度梯度(temperature gradient)(temperature gradient)：等温线面法线方向：等温线面法线方向上上 的温度变化率。的温度变化率。grad t=lim(grad t=lim(t/t/n)=n)=t/t/n (n (n0)n0)第7页/共55
6、页1.1.1.1.表述：单位时间内传递的热量与温度梯度及垂直于热流方表述：单位时间内传递的热量与温度梯度及垂直于热流方表述：单位时间内传递的热量与温度梯度及垂直于热流方表述：单位时间内传递的热量与温度梯度及垂直于热流方 向的截面积成正比。向的截面积成正比。向的截面积成正比。向的截面积成正比。Q=-Q=-Q=-Q=-F grad t F grad t F grad t F grad t 对单位面积：对单位面积：对单位面积：对单位面积：q=-q=-q=-q=-grad t grad t grad t grad t 式中式中式中式中:Q:Q:Q:Q热量热量热量热量 w;w;w;w;导热系数导热系数导
7、热系数导热系数 w/mw/mw/mw/m0 0 0 0C;grad tC;grad tC;grad tC;grad t温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度0 0 0 0C/mC/mC/mC/m2.2.2.2.说明说明说明说明：（1 1 1 1）负号）负号）负号）负号“-”-”-”-”表示热量传递指向温度降低的方向；与表示热量传递指向温度降低的方向；与表示热量传递指向温度降低的方向；与表示热量传递指向温度降低的方向；与温度梯温度梯温度梯温度梯 度方向相反。度方向相反。度方向相反。度方向相反。（2 2 2 2）一但物体内部温度分布已知，）一但物体内部温度分布已知，）一但物体内部温度分布已知，）一但物体
8、内部温度分布已知，则由傅里叶定律即可求得各点的则由傅里叶定律即可求得各点的则由傅里叶定律即可求得各点的则由傅里叶定律即可求得各点的 热流量或热流密度。热流量或热流密度。热流量或热流密度。热流量或热流密度。二、二、傅里叶定律傅里叶定律 (Fouriers(Fouriers Law)Law)第8页/共55页 在温度在温度在温度在温度t=20t=20t=20t=200 0 0 0C C C C时：时：时：时：纯铜纯铜纯铜纯铜=399 w/m=399 w/m=399 w/m=399 w/m0 0 0 0C C C C；水；水；水；水=0.599 w/m=0.599 w/m=0.599 w/m=0.59
9、9 w/m0 0 0 0C C C C；干空气；干空气；干空气；干空气=0.0259w/m=0.0259w/m=0.0259w/m=0.0259w/m0 0 0 0C C C C（固体）大（固体）大（固体）大（固体）大-（液体）（液体）（液体）（液体）-（气体）小（气体）小（气体）小（气体）小 隔热材料（或保温材料）隔热材料（或保温材料）隔热材料（或保温材料）隔热材料（或保温材料）-石棉、硅藻土、矿渣棉等，它石棉、硅藻土、矿渣棉等，它石棉、硅藻土、矿渣棉等，它石棉、硅藻土、矿渣棉等，它们的导热系数通常们的导热系数通常们的导热系数通常们的导热系数通常:0.2 w/m 0.2 w/m 0.2 w/
10、m t t(3)(3)肋肋片片与与环环境境的的表表面面传传热热系系数数为为 h h.(4)(4)，h h和和A Ac c均均保保持持不变不变求：求：温温度度场场 t t 和和热热流流量量 第28页/共55页分析：分析：假设假设 1 1）肋片在垂直于纸面方向）肋片在垂直于纸面方向 (即深度方向即深度方向 )很长，不考虑温度沿该方向的变化，因此取单很长，不考虑温度沿该方向的变化，因此取单位长度分析；位长度分析；2 2）材料导热系数）材料导热系数 及表面传热系数及表面传热系数 h h 均均为常数，沿肋高方向肋片横截面积为常数，沿肋高方向肋片横截面积 Ac Ac 不变；不变；3 3）表面上的换热热阻）
11、表面上的换热热阻 1/h 1/h，远大于肋片的，远大于肋片的导热热阻导热热阻 /，即肋片上任意截面上的温度均，即肋片上任意截面上的温度均匀不变；匀不变；4 4）肋片顶端视为绝热，即）肋片顶端视为绝热，即 dt/dx=0 dt/dx=0；第29页/共55页求：求：1.1.肋片温度分布肋片温度分布 2.2.肋片的散热热流量肋片的散热热流量t t0 0-肋根温度，肋根温度，t t -周围流体温度，过余温度周围流体温度，过余温度=t-tt-t -材料导热材料导热系数，系数，h-h-表面传热系数表面传热系数,Ac-,Ac-肋片横截面积肋片横截面积,P-,P-肋片截面周长。肋片截面周长。建立导热微分方程：
12、建立导热微分方程：在在x x处导入的热量处导入的热量=在在x+dxx+dx处导出的热量处导出的热量+对流散出的热量对流散出的热量则有：则有：x=-x=-Ac Ac x+dx=-x+dx=-AcAc c=hPdxc=hPdxt=hPdx(t=hPdx(t-tt-t)所以：所以：x=-x=-Ac =Ac =x+dx+x+dx+c c=-=-Ac +Ac +hPdxhPdxt t整理得：整理得：第30页/共55页而而 =t-tt-t 所以所以 d d=dt=dt 因为因为 是个常量是个常量 所以令所以令则则 为二阶一次微分方程，解得特征根为二阶一次微分方程，解得特征根 r r1 1=m,r=m,r2
13、 2=-m=-m所以通解为：所以通解为：要求定解即求要求定解即求C1,C2C1,C2根据边界条件根据边界条件 x x=0=0 时时,=0 0 x=x=H,H,（顶端绝热）代入上式中（顶端绝热）代入上式中 C1+C2=C1+C2=0 0 最后可得肋片中的温度分布为最后可得肋片中的温度分布为令令 x x=H,=H,得肋片顶端温度得肋片顶端温度 第31页/共55页即：即：双曲余弦函数双曲余弦函数双曲正切函数双曲正切函数双曲正弦函数双曲正弦函数第32页/共55页根据付里叶定律，热流量根据付里叶定律，热流量 =-=-AcAc则则肋片的效率（表明肋片散热量的有效程度）肋片的效率（表明肋片散热量的有效程度）
14、为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果，引进肋片效率为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果，引进肋片效率 则有：则有：另一种解法另一种解法:第33页/共55页在上述假设条件下，把复杂的肋片导热在上述假设条件下，把复杂的肋片导热问题转化为一维稳态导热如图（问题转化为一维稳态导热如图（b b）所示并）所示并将沿程散热量将沿程散热量 视为负的内热源，则导热视为负的内热源，则导热微分方程式简化为微分方程式简化为022=F+ldxtd第34页/共55页导热微分方程：导热微分方程：引入过余温度引入过余温度 。令。令则有：则有：第35页/共55页混合边界条件：混合边界条件：方程的通解为：方程的通解为：应用边
15、界条件可得：应用边界条件可得：第36页/共55页最后可得等截面内的温度分布：最后可得等截面内的温度分布：双曲余弦函数双曲余弦函数双曲正切函数双曲正切函数双曲正弦函数双曲正弦函数第37页/共55页稳稳态态条条件件下下肋肋片片表表面面的的散散热热量量 =通通过过肋肋基基导入肋片的热量导入肋片的热量肋端过余温度：肋端过余温度：即即 x x H H第38页/共55页2.肋片效率肋片效率 为为了了从从散散热热的的角角度度评评价价加加装装肋肋片片后后换换热效果，引进热效果，引进肋片效率肋片效率第39页/共55页肋片的纵剖面积肋片的纵剖面积第40页/共55页影影响响肋肋片片效效率率的的因因素素：肋肋片片材材
16、料料的的热热导导率率 、肋肋片片表表面面与与周周围围介介质质之之间间的的表表面面传传热热系系数数 h h、肋片的几何形状和尺寸（、肋片的几何形状和尺寸（P P、A A、H H）可见，可见，与参量与参量 有关，其关系曲有关，其关系曲线如图所示。这样，矩形直肋的散热量可以不用线如图所示。这样，矩形直肋的散热量可以不用公式计算，而直接用图查出公式计算，而直接用图查出 ，散热量散热量 第41页/共55页3通过环肋及三角形截面直肋的导热通过环肋及三角形截面直肋的导热为为了了减减轻轻肋肋片片重重量量、节节省省材材料料，并并保保持持散散热热量量基基本本不不变变，需需要要采采用用变变截截面面肋肋片片，环环肋肋
17、及及三三角角形形截截面面直肋是其中的两种。直肋是其中的两种。对对于于变变截截面面肋肋片片来来讲讲，由由于于从从导导热热微微分分方方程程求求得得的的肋肋片片散散热热量量计计算算公公式式相相当当复复杂杂，因因此此，人人们们仿仿照照等等截截面面直直肋肋。利利用用肋肋片片效效率率曲曲线线来来计计算算方方便便多多了了，书书中中图图2 21414和和2 21515分分别别给给出出了了三三角角形形直直肋肋和和矩形剖面环肋的效率曲线。矩形剖面环肋的效率曲线。第42页/共55页图图214第43页/共55页图图215第44页/共55页 求解导热问题的关键是获得温度场求解导热问题的关键是获得温度场,而要获得温度场实
18、质上归结为对如下导热微分方程式的求解。而要获得温度场实质上归结为对如下导热微分方程式的求解。对上述偏微分方程：对上述偏微分方程：对实际工程问题用纯数学的方法来解微分方程对实际工程问题用纯数学的方法来解微分方程非常困难非常困难；利用计算机来获得满足工程要求的数值解利用计算机来获得满足工程要求的数值解计算机数值仿真计算机数值仿真。第45页/共55页 一、常用的数值计算方法：一、常用的数值计算方法：1.1.有限差分法、有限差分法、2.2.有限单元法、有限单元法、3.3.边界元法等边界元法等二、二、有限元分析有限元分析软件的应用软件的应用：目前，有限元理论及其应用已经很成熟，有许多商业软件目前，有限元
19、理论及其应用已经很成熟，有许多商业软件 可应用，如：可应用，如：ANSYSANSYS、PHOENICSPHOENICS、KIVA-2KIVA-2等。等。下面是我们用下面是我们用ANSYSANSYS软件进行热分析的一些例子，供大家参考。软件进行热分析的一些例子，供大家参考。第46页/共55页第47页/共55页 ANSYSANSYSANSYSANSYS软件在求解柴油机零部件温度场的应用软件在求解柴油机零部件温度场的应用软件在求解柴油机零部件温度场的应用软件在求解柴油机零部件温度场的应用 180180活塞二维轴对称模型稳态温度场活塞二维轴对称模型稳态温度场第48页/共55页 180180活塞三维轴对
20、称模型稳态温度场活塞三维轴对称模型稳态温度场第49页/共55页 二维结构耦合系统循环瞬态温度场动画演示二维结构耦合系统循环瞬态温度场动画演示第50页/共55页 三维结构耦合系统循环瞬态温度场动画演示三维结构耦合系统循环瞬态温度场动画演示第51页/共55页两个不同物体之间的动态导热仿真计算结果示意图：两个不同物体之间的动态导热仿真计算结果示意图：两个不同物体之间的动态导热仿真计算结果示意图：两个不同物体之间的动态导热仿真计算结果示意图：第52页/共55页 本章小结本章小结本章小结本章小结：1.1.温度场温度场温度场温度场 基本概念基本概念基本概念基本概念 ：2.2.等温线（面）等温线（面）等温线
21、（面）等温线（面）基本定律基本定律基本定律基本定律 ：傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律傅里叶定律 3.3.温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度 4.4.导热系数导热系数导热系数导热系数 导热微分方程导热微分方程导热微分方程导热微分方程 基本公式：基本公式：基本公式：基本公式：一维稳态：平壁导热一维稳态：平壁导热一维稳态：平壁导热一维稳态：平壁导热 傅里叶公式傅里叶公式傅里叶公式傅里叶公式 思索与提高：思索与提高：思索与提高：思索与提高：扩大知识面，增加大家的学习兴趣扩大知识面，增加大家的学习兴趣扩大知识面，增加大家的学习兴趣扩大知识面，增加大家的学习兴趣 第53页/共55页思考题：思考题：1.1.何谓温度场、等温面和温度梯度？何谓温度场、等温面和温度梯度？2.2.在寒冷的北方地区，建房用砖用实心砖还是空心砖好？为在寒冷的北方地区，建房用砖用实心砖还是空心砖好？为 什么什么?希望大家预习：本章后面几节的内容希望大家预习：本章后面几节的内容第54页/共55页感谢您的观看。感谢您的观看。第55页/共55页