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搞定传热三种方式的基本概念-个人笔记-更新中

来源:网络 时间:2023-09-03 07:51:14
导读开头先扯些有的没的,总结一下个人理解 太阳向地球传递热能的方式的热辐射,人体感受到的热是热辐射和热对流综合作用的结果,假设忽略热辐射,那就只剩下热对流,是从空气向人体表面对流传热的结果,我们身体内部…

开头先扯些有的没的,总结一下个人理解

太阳向地球传递热能的方式的热辐射,人体感受到的热是热辐射和热对流综合作用的结果,假设忽略热辐射,那就只剩下热对流,是从空气向人体表面对流传热的结果,我们身体内部,就说五脏六腑吧,接受到的热能是通过热传导作用的,从人体表面向内部传递的。

当然所有的热量传递的过程都是十分复杂的,涉及到多种热量传递的方式,我们要想精确的求解问题,可以忽略一些影响较小的因素,只考虑影响较大的因素。

下面正经的部分开始了

参考:传热学 第五版 陶文铨 编著

下面是西交传热学的公开课,与书本是对应的

第一节 基础知识

热能传递的三种方式:热传导(heat conduction)热对流(heat convection)热辐射(radiative heat transfer)基本参数:热流量(heat transfer rate): Φ\Phi (W)热流密度(heat flux):单位面积的热流量 qq (W/m2 )热物性参数(thermophysical property):导热系数(thermal conductivity):KXX (W/m K)表面换热系数(convective heat transfer coefficient)hf (W/m2 K)

另外关于单位 K=C+273.15; /K=/C

导热基本定 Fouries law of heat conduction

负号代表热量传递方向与温度升高的方向相反

从困扰我的角度解释温度升高的方向(从下图可以看出,壁面1的温度大于壁面2的温度Tw1>Tw2。这里讲的温度升高的方向就是从Tw2 \rightarrow Tw1,与热流量温度相反。而不是Tw2温度逐渐升高)

第二节 三种传热方式

一、热传导 Fouries law

固体内部热量从温度较高部分传递到温度较低部分。如上图所示,壁面两侧的温度分别为Tw1和Tw2,通过壁面的热量称为热流量 Φ\Phi

Φ=−λATw1−Tw2L=−λA∂T∂x\Phi=-\lambda A\frac{T_{w1}-T_{w2}}{L}=-\lambda A \frac{\partial T}{\partial x} (3)

二、热对流 Newtons law of cooling

流体流过温度与之不同的固体壁面时,流体域固体间的热量传递过程

Φ=Ahf(tW1−Tf1)=Ahf△T\Phi= A h_{f} (t_{W1}-T_{f1}) = A h_{f} \triangle T (4)

q=hf(tW1−Tf1)=hf△Tq= h_{f} (t_{W1}-T_{f1}) = h_{f} \triangle T (5)

分类:

1.起因: 强迫对流、自然对流 (自然对流即流体冷热部分密度不同引起的;强迫对流即由风机,水泵等引起的压差所造成)

2.是否发生相变:含有相变的对流,分为沸腾传热和凝结传热,伴随着水的气化和凝华。

三、热辐射 Stefan-Boltzmann

物体通过电磁波来传递能量的形式,可以在真空中传播。热辐射伴随着能量形式的转换

发射时:从热能转化成辐射能; 吸收时: 从辐射能转化成热能。

(有待深入研究)

四、算例

传热过程

Tf1−Tw1=ΦAhf1T_{f1}-T_{w1}=\frac{\Phi}{A h_{f1}} 热对流Tw2−Tw1=Φλ(A/L)T_{w2}-T_{w1}=\frac{\Phi}{\lambda (A/L) } 热传导Tf2−Tw2=ΦAhf2T_{f2}-T_{w2}=\frac{\Phi}{A h_{f2}} 热对流

Tf1−Tf2=Φ(1Ahf1+LAλ+1Ahf2)T_{f1}-T_{f2}=\Phi(\frac{1}{A h_{f1}}+\frac{L}{A\lambda}+\frac{1}{A h_{f2}})

第三节 导热微分方程

满足热平衡关系

导入微元的总热流量+微元内热源的生成热=导出微元的总热流量+微元热力学能的增量

热力学能的增量= ρc∂T∂t\rho c\frac{\partial T}{\partial t}

热源的生热=Q

三维非稳态导热微分方程可表示为

ρc∂T∂t=λ∂2T∂x2+λ∂2T∂y2+λ∂2T∂z2+Q\rho c\frac{\partial T}{\partial t}=\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial x^{2}}+\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial y^{2}}+\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}}+Q

当导热系数为常数,可对上式进行改进

∂T∂t=λρc(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)+Qρc\frac{\partial T}{\partial t}=\frac{\lambda}{\rho c} \left( \frac{\partial^{2} T}{\partial x^{2}}+ \frac{\partial^{2} T}{\partial y^{2}}+ \frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}} \right) +\frac{Q}{\rho c}

其中,可引入新的参数

热扩散率(热扩散系数/导温系数) k=λρck=\frac{\lambda}{\rho c}

导温系数由上下两部分组成,上部分导热系数代表单位时间内单位温度梯度所需的热流密度,表示物体传递热量的能力, λ\lambda 越大,传递的热量越高越快。下部分代表物体升高一度所需的热量, ρc\rho c 越小表示物体升温所需的热量越少。因此k越大物体传递温度的能力越强,物体内部温度平衡的越快。

同时,也可以根据求解问题的不同进行改进

1.稳态导热(与时间无关): 0=λ∂2T∂x2+λ∂2T∂y2+λ∂2T∂z2+Q0=\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial x^{2}}+\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial y^{2}}+\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}}+Q

2.稳态无内容热源:0=λ∂2T∂x2+λ∂2T∂y2+λ∂2T∂z20=\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial x^{2}}+\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial y^{2}}+\lambda \frac{\partial^{2} T}{\partial z^{2}}

第四节 稳态导热的计算

一、常见边界条件

常见边界条件可以分为三类,分别称为Dirichlet条件、Neumann条件和Robin条件,后两类分别对应了热传导和热对流两种状态。

1)规定边界上的温度值,对于非稳态导热

0,T_{w}=f_{1}(t)">t>0,Tw=f1(t)t>0,T_{w}=f_{1}(t)

2)规定了边界上的热流密度值

0,-\lambda (\frac{\partial T}{\partial n})_{w}=f_{2}(t)">t>0,−λ(∂T∂n)w=f2(t)t>0,-\lambda (\frac{\partial T}{\partial n})_{w}=f_{2}(t)

3)规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体温度

−λ(∂T∂n)w=h(Tw−Tf)-\lambda (\frac{\partial T}{\partial n})_{w}=h(T_{w}-T_{f})

因此至少要给定两种以上的边界条件才能分析,如

不考虑热对流时,需给定结构一侧的温度,及热流密度,可以得出另一侧的温度。

或给定两侧的温度,可以得出热流密度

在实际的复杂问题中还涉及辐射边界条件和界面连续条件,在这里不做介绍。

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