開頭先扯些有的沒的,總結一下個人理解

太陽向地球傳遞熱能的方式的熱輻射,人體感受到的熱是熱輻射和熱對流綜合作用的結果,假設忽略熱輻射,那就隻剩下熱對流,是從空氣向人體表面對流傳熱的結果,我們身體內部,就說五臟六腑吧,接受到的熱能是通過熱傳導作用的,從人體表面向內部傳遞的。

當然所有的熱量傳遞的過程都是十分復雜的,涉及到多種熱量傳遞的方式,我們要想精確的求解問題,可以忽略一些影響較小的因素,隻考慮影響較大的因素。

下面正經的部分開始瞭

參考:傳熱學 第五版 陶文銓 編著

下面是西交傳熱學的公開課,與書本是對應的

第一節 基礎知識

  • 熱能傳遞的三種方式:
  1. 熱傳導(heat conduction)
  2. 熱對流(heat convection)
  3. 熱輻射(radiative heat transfer)
  • 基本參數:
  1. 熱流量(heat transfer rate): Phi (W)
  2. 熱流密度(heat flux):單位面積的熱流量 q (W/m2 )
  • 熱物性參數(thermophysical property):
  1. 導熱系數(thermal conductivity):KXX (W/m K)
  2. 表面換熱系數(convective heat transfer coefficient)hf (W/m2 K)

另外關於單位 K=C+273.15; /K=/C

  • 導熱基本定 Fourie's law of heat conduction

負號代表熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反

從困擾我的角度解釋溫度升高的方向(從下圖可以看出,壁面1的溫度大於壁面2的溫度Tw1>Tw2。這裡講的溫度升高的方向就是從Tw2 rightarrow Tw1,與熱流量溫度相反。而不是Tw2溫度逐漸升高)

第二節 三種傳熱方式

一、熱傳導 Fourie's law

固體內部熱量從溫度較高部分傳遞到溫度較低部分。如上圖所示,壁面兩側的溫度分別為Tw1和Tw2,通過壁面的熱量稱為熱流量 Phi

Phi=-lambda Afrac{T_{w1}-T_{w2}}{L}=-lambda A frac{partial T}{partial x} (3)

二、熱對流 Newton's law of cooling

流體流過溫度與之不同的固體壁面時,流體域固體間的熱量傳遞過程

Phi= A h_{f} (t_{W1}-T_{f1}) = A h_{f} triangle T (4)

q= h_{f} (t_{W1}-T_{f1}) = h_{f} triangle T (5)

  • 分類:

1.起因: 強迫對流、自然對流 (自然對流即流體冷熱部分密度不同引起的;強迫對流即由風機,水泵等引起的壓差所造成)

2.是否發生相變:含有相變的對流,分為沸騰傳熱和凝結傳熱,伴隨著水的氣化和凝華。

三、熱輻射 Stefan-Boltzmann

物體通過電磁波來傳遞能量的形式,可以在真空中傳播。熱輻射伴隨著能量形式的轉換

發射時:從熱能轉化成輻射能; 吸收時: 從輻射能轉化成熱能。

(有待深入研究)

四、算例

傳熱過程

  1. T_{f1}-T_{w1}=frac{Phi}{A h_{f1}} 熱對流
  2. T_{w2}-T_{w1}=frac{Phi}{lambda (A/L) } 熱傳導
  3. T_{f2}-T_{w2}=frac{Phi}{A h_{f2}} 熱對流

T_{f1}-T_{f2}=Phi(frac{1}{A h_{f1}}+frac{L}{Alambda}+frac{1}{A h_{f2}})

第三節 導熱微分方程

滿足熱平衡關系

導入微元的總熱流量+微元內熱源的生成熱=導出微元的總熱流量+微元熱力學能的增量

熱力學能的增量= rho cfrac{partial T}{partial t}

熱源的生熱=Q

三維非穩態導熱微分方程可表示為

rho cfrac{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

當導熱系數為常數,可對上式進行改進

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,可引入新的參數

熱擴散率(熱擴散系數/導溫系數) k=frac{lambda}{rho c}

導溫系數由上下兩部分組成,上部分導熱系數代表單位時間內單位溫度梯度所需的熱流密度,表示物體傳遞熱量的能力, lambda 越大,傳遞的熱量越高越快。下部分代表物體升高一度所需的熱量, rho c 越小表示物體升溫所需的熱量越少。因此k越大物體傳遞溫度的能力越強,物體內部溫度平衡的越快。

同時,也可以根據求解問題的不同進行改進

1.穩態導熱(與時間無關): 0=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.穩態無內容熱源:0=lambda frac{partial^{2} T}{partial x^{2}}+lambda frac{partial^{2} T}{partial y^{2}}+lambda frac{partial^{2} T}{partial z^{2}}

第四節 穩態導熱的計算

一、常見邊界條件

常見邊界條件可以分為三類,分別稱為Dirichlet條件、Neumann條件和Robin條件,後兩類分別對應瞭熱傳導和熱對流兩種狀態。

1)規定邊界上的溫度值,對於非穩態導熱

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

2)規定瞭邊界上的熱流密度值

t>0,-lambda (frac{partial T}{partial n})_{w}=f_{2}(t)

3)規定瞭邊界上物體與周圍流體間的表面傳熱系數及周圍流體溫度

-lambda (frac{partial T}{partial n})_{w}=h(T_{w}-T_{f})

因此至少要給定兩種以上的邊界條件才能分析,如

不考慮熱對流時,需給定結構一側的溫度,及熱流密度,可以得出另一側的溫度。

或給定兩側的溫度,可以得出熱流密度

在實際的復雜問題中還涉及輻射邊界條件和界面連續條件,在這裡不做介紹。