工程传热学-热传导(二)

如题所述

第1个回答  2024-04-13


深入探索工程传热学中的非稳态热传导</


在工程传热学的世界里,非稳态导热问题构成了一个复杂的理论体系,让我们以华科大版教材《工程传热学》为基础,一同探索其中的奥秘。


一、非稳态导热的定性分析


当温度场的演变不再局限于静态,我们进入非稳态导热的领域。这种情况下,温度随时间的改变引发了热流量的逐渐增加,揭示了温度变化需要积累或消耗热量的特性。在不同截面,热流量的变化反映出温度梯度的差异。


在时间的进程中,我们区分了两个阶段:初始状况阶段</,直到最迟的温度变化时间,受初始温度分布的影响显著,此时用无穷级数来描述。而越过这个阶段后,进入了正规状况阶段,此时的热流主要受边界条件控制,可以用初等函数来刻画。


理解非稳态导热的关键在于导热热阻与对流热阻的比值,这个比值决定了物体内部温度变化的特性:



    小于1</,意味着导热主导,温度差几乎为零,这时的系统符合集总参数条件,但这个概念需要更准确地定义。
    等于1</,代表典型的第三类边界条件,即热流与温度梯度平衡。
    大于1</,内部温度变化显著,这时可近似为定壁温条件。

二、集总参数法的精要


当物体的温度仅与时间相关,而非空间,我们便遇到了集总参数问题。它要求内部温度变化的区域体积(V)与传热表面积(A)的比值极小。通过能量守恒定律,我们可以推导出指数衰减的解,时间常数的定义为我们判断集总参数条件提供了依据。


计算步骤

    计算V/A比值
    判断是否满足集总参数条件
    运用公式解决实际问题

三、一维非稳态导热的边界条件解析


在一维问题中,通过微分方程的推导,结合初始和边界条件,我们运用分离变量法求解。无穷多特解叠加后,得到的解揭示了非稳态正规阶段的数学形式,简化后的公式揭示了过余温度与时间的密切关系。


四、海斯勒图与半无限大物体的分析


对于半无限大物体,我们可以借鉴流体力学中的分析方法,通过量纲分析,数学模型会呈现出微分方程与定解条件。海斯勒图中的温度分析与集总参数有所不同,它为我们理解温度随时间变化提供了独特的视角。


实例:半无限物体的惰性时间

当扰动深入物体内部,我们需要区分初始阶段和后续的处理方法。例如,若初始阶段,温度在某个位置x保持初始状态,而惰性时间则标志着温度稳定到近似不变的时间点。