三章节非稳态导热.ppt
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1、第三章 非稳态导热,、重点内容: 非稳态导热的基本概念及特点; 集总参数法的基本原理及应用; 一维及二维非稳态导热问题。 2 、掌握内容: 确定瞬时温度场的方法; 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。,3-1 非稳态导热的基本概念,1 非稳态导热的定义 物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。,2 非稳态导热的分类,周期性非稳态导热:物体的温度随时间而作周期性的变化,瞬态非稳态导热:物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值,着重讨论瞬态非稳态导热,3 温度分布:,4 两个不同的阶段,非正规状况阶段(右侧面不参与换热 ):温度分布
2、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,正规状况阶段(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。,非正规状况阶段(起始阶段)、正规状况阶段、新的稳态,导热过程的三个阶段,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。,5 热量变化,1板左侧导入的热流量 2板右侧导出的热流量,6 学习非稳态导热的目的: (1) 温度分布和热流量分布随时间和空间的变化规律,(2) 非稳态导热的导热微分方程式:,(3) 求解方
3、法:,分析解法、近似分析法、数值解法,分析解法:分离变量法、积分变换、拉普拉斯变换 近似分析法: 集总参数法、积分法 数值解法:有限差分法、蒙特卡洛法、有限元法、分子动力学模拟,7、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 、初温 、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。,由于面积热阻与的相对大小的不同,平板中温度场的变化会出现以下三种情形:,(1),这时,由于表面对流换热热阻 几乎可以忽略,因而过程一开始平板的表面温度就被冷却到 。并随着时间的推移,整体地下降,逐渐趋
4、近于 。,(2),这时,平板内部导热热阻 几乎可以忽略,因而任一时刻平板中各点的温度接近均匀,并随着时间的推移,整体地下降,逐渐趋近于 。,这时,平板中不同时刻的温度分布介于上述两种极端情况之间。,(3) 与 的数值比较接近,由此可见,上述两个热阻的相对大小对于物体中非稳态导热的温度场的变化具有重要影响。为此,我们引入表征这两个热阻比值的无量纲数毕渥数:,1)毕渥数的定义:,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。,
5、3-2 集总参数法的简化分析,1 定义:忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。此时, ,温度分布只与时间有关,即 ,与空间位置无关,因此,也称为零维问题。,2 温度分布 如图所示,任意形状的物体,参数均为已知。,将其突然置于温度恒为 的流体中。,当物体被冷却时(t t),由能量守恒可知,方程式改写为:,,则有,初始条件,控制方程,积分 ,过余温度比,其中的指数:,是傅立叶数,物体中的温度呈指数分布,方程中指数的量纲:,即与 的量纲相同,当 时,则,此时,,上式表明:当传热时间等于 时,物体的过余温度已经达到了初始过余温度的36.8。称 为时间常数,用 表示。,应用集总参数法时,
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