材料工程基础3.2热传导.ppt

第三章 传热学 第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热辐射 第五节 传热过程与换热器 第三章 传热学 第二节 热传导 第三章 传热学—第二节 热传导 一.导热基本定律 二.导热微分方程 三.平壁的稳态导热 四.圆筒壁的稳态导热 五.导热问题数值求解 第三章 传热学—第二节 热传导 一.导热基本定律 1.温度场（Temperature field） 概念：温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。 x,y,z为空间坐标，t为时间坐标。 第三章 传热学—第二节 热传导 2.温度场分类 1）随时间划分 稳态温度场（Steady-state conduction） 在稳态条件下物体各点的温度分布不随时间的改变而变化的温度场称稳态温度场。 第三章 传热学—第二节 热传导 非稳态温度场（Transient conduction ） 指在变动工作条件下，物体中各点的温度分布随时间而变化的温度场称非稳态温度场，其表达式： 第三章 传热学—第二节 热传导 2）随空间划分 三维温度场 二维温度场 一维温度场 第三章 传热学—第二节 热传导 3.等温面与等温线 等温面：同一时刻、温度场中所有温度相同的点连接起来所构成的面 等温线：用一个平面与各等温面相交，在这个平面上得到一个等温线簇。 第三章 传热学—第二节 热传导 等温面与等温线的特点： 1) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交； 2) 在连续的温度场中，等温面或等温线不会中断，它们或者是物体中完全封闭的曲面（曲线），或者就终止与物体的边界上； 3)若温度间隔相等时，等温线的疏密可反映出不同区域导热热流密度的大小。 第三章 传热学—第二节 热传导 第三章 传热学—第二节 热传导 4.温度梯度(Temperature gradient) 式中 是空间某点温度梯度； 是等温面法线方向的温度变化率 是通过该点等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向。 第三章 传热学—第二节 热传导 5.热流线 热流线是一组与等温线处处垂直的曲线，通过平面上任一点的热流线与该点的热流密度矢量相切。 第三章 传热学—第二节 热传导 6.导热基本定律（Fourier’s Law） 傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比： 第三章 传热学—第二节 热传导 实际导热系数和温度相关： 对气体,t升高,λ增加；对金属,t升高, λ降低;对耐火材料，t升高,λ增加。 平均导热系数： 第三章 传热学—第二节 热传导 1）固体的热导率 纯金属：t↑, λ↓ ; 非金属：ρ↑或 t↑, λ↑。 λ =λ0（1+αt） 式中λ、λ0——固体分别在温度t、273K时的热导率，W/(m? K); α——温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属 材料为正值，1/K。 第三章 传热学—第二节 热传导 2）液体的热导率 t↑, λ↓ ；一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导率大。 3）气体的热导率 气体的λ很小，对导热不利，但对保温有利。 在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体 λ = f ( t )， t↑, λ↑。 第三章 传热学—第二节 热传导 固体、液体、气体的热导率的大致范围： λ金属固体λ非金属固体λ液体λ气体 金属固体：101~ 102 W/(m? K)； 建筑材料： 10-1~ 10 W/(m? K)； 绝热材料： 10-2~ 10-1 W/(m? K)； 液体： 10-1 W/(m? K)； 气体： 10-2~ 10-1 W/(m? K)； 第三章 传热学—第二节 热传导 二.导热微分方程Heat Diffusion Equation 1.定义： 根据能量守恒定律与傅立叶定律建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，称为导热微分方程。 2.导热微分方程的数学表达式 推导时假定导热物体是各向同性的，如下图： 第三章 传热学—第二节 热传导 第三章 传热学—第二节 热传导 ① 三个微元表面而导入微元体的热流量：dQx 、dQy 、dQz 的计算。 第三章 传热学—第二节 热传导 ② dQx+dx、dQy+dy、dQz+dz 第三章 传热学—第二节 热传导 微元体热力学能的增量dU = 微元体内热源的生成热dQ = 各量代入能量守恒式中得： 第三章 传热学—第二节 热传导 3.导热微分方程的化简 ①导热系数为常数 式中， ，称为热扩散率。 ②导