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§3-4 半无限大的物体 一、半无限大物体的概念 半无限大物体,是指几何上如图所示的那样的物体,其特点是从x=0的界面开始可以向正向以及上、下方向上无限延伸,而在每一个与x坐标垂直的截面上物体的温度都相等。在研究物体中非稳态导热的初始阶段时,有可能把实际物体当作半无限大的物体来处理。例如,假设有一块几何上为有限厚度的平板,起初具有均匀的温度,然后其一侧表面突然受到热扰动,如壁温突然升高到一定值并保持不变,或者突然受到恒定的热流密度加热,或者受到温度恒定的流体的加热或冷却。当扰动的影响还局限在表面附近而尚未深入到平板内部中去时,就可有条件地把该平板视为一“半无限大物体”。 半无限大物体图示 有一半无限大物体,初始温度均匀为t。,在 =0时刻,x=0的侧面突然受到热扰动,这种情况可以归纳为以下三种边界条件:(1)表面温度突然变化到tw,并保持恒定(第一类);(2)受到恒定的热流密度加热(第二类);(3)与温度为t∞的流体进行热交换(第三类)。这三类边界条件定性地示于下图中。假定物体的热物性为常数,没有内热源。 二、三种边界条件下半无限大物体的温度场的分析解 三种边界条件的图示 上述条件下物体中温度的控制方程和定解条件为 误差函数 三、导热量的计算 以第一种边界条件为例,导出从初始时刻到某—指定时刻之间,半无限大物体表面与外界的换热量(亦即半无限大物体内的导热量)。 通过任意截面x处的热流密度 在表面上的导热量为 令 无量纲坐标 四、分析解的讨论 首先看误差函数随?的变化趋势,如图所示。由书末的附表15(572页) 可知,当? =2时有erf ? =0.9953,这说明,当? ≥2时,该x处的温度可以认为仍等于 θ0(无量纲过余温度的变化小于0.5%)。由此可以得出两个重要结论: (1)从几何位置上来说,如果 ,则在 时刻x处的温度可以认为尚无发生变化。因而对一块初始温度均匀的厚2δ的平板,当其一个侧面的温度突然变化到另一恒定温度时,如果其半厚度 时刻之前该平板中瞬时温度场的计算均可采用半无限大物体的模型。 (2)从时间上看,如果 ,则此时x处的温度可认为完全不变,因而可以把 视为惰性时间,即当 时x处的温度可认为等于t。。或者说,当它的局部Fo数 物体中的非稳态导热可以作为半无限大物体处理。 * * * * * * * * * * 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,物体过余温度的变化曲线 如果导热体的热容量( ?Vc )小、换热条件好(h大),那么单位时间所传递的热量大、导热体的温度变化快,时间常数 ( ?Vc / hA) 小。 对于测温的热电偶节点,时间常数越小、说明热电偶对流体温度变化的响应越快。这是测温技术所需要的(微细热电偶、薄膜热电阻) 工程上认为?=4 ?Vc / hA时导热体已达到热平衡状态 4 瞬态热流量: 导热体在时间 0~? 内传给流体的总热量: 当物体被加热时(tt?),计算式相同 5 物理意义 无量纲热阻 无量纲时间 Fo越大,热扰动就能越深入地传播到物体内部,因而,物体各点地温度就越接近周围介质的温度。 采用此判据时,物体中各点过余温度的差别小于5% 对厚为2δ的 无限大平板 对半径为R的无限长圆柱 对半径为R的 球 6 集总参数法的应用条件 是与物体几何形状 有关的无量纲常数 例题3-1 一直径为5cm的钢球,初始温度为4500C,忽然被置于温度为300C的空气中。设钢球表面与周围环境间的传热系数为24W/(m2.K),试计算钢球冷却到3000C所需的时间。已知钢球的 c=0.48kJ/(kg.K), ?=7753kg/m3, ?=33W/(m.K)。 解:首先检验是否可用集总参数法。为此计算Bi数: 可以采用集总参数法。 由此解得: 例题3-2 一温度计的水银泡呈圆柱状,长20mm,内径为4mm,初始温度为t0,今将其插入到温度较高的储气罐中测量气体温度.设水银泡同气体间的对流换热表面传热系数h=11.63W/(m2.K),水银泡一层薄玻璃的作用可忽略不计,试计算此条件下温度计的时间常数,并确定插入5min后温度计读数的过余温度为初始温度的百分之几?水银的物性参数如下: 解:首先检验是否可用集总参数法.考虑到水银泡柱体的上端面不直接受热,故 可以用集总参数法 即经5min后温
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