《传热学习题课件》课件

传热学习题课件本课件旨在帮助学生理解和掌握传热的基本原理和应用课件涵盖了传热学的重要概念，并提供了一系列练习题以帮助学生巩固学习导言传热学基础概念回顾传热基本概念热力学基础热量传递方式热力学第一定律••热传递速率热力学第二定律••传热系数热力学第三定律••传热分析方法传热应用领域控制体分析法机械、电子、化工、建筑、能源等领域•微分方程法•数值模拟法•定常传热问题解题思路问题分析1确定边界条件简化模型建立方程热传导方程2热对流方程热辐射方程求解方程3解析解法数值解法结果验证4物理意义实验验证定常传热问题是指热量在系统内保持稳定状态，不随时间变化一维定常导热分析傅里叶定律1一维定常导热分析基于傅里叶定律，该定律描述了热量在材料中传递的速率与温度梯度成正比边界条件2边界条件是解决定常导热问题的关键，它定义了物体边界上的温度或热流量求解方法3常见的求解方法包括解析法、数值法和有限元法，根据具体问题选择合适的求解方法二维定常导热分析建立数学模型根据传热方程、边界条件和初始条件建立二维定常导热问题的数学模型求解方程采用有限差分法、有限元法或其他数值方法求解二维定常导热方程结果分析分析计算结果，绘制温度分布图，研究热流线，并验证计算结果的准确性三维定常导热分析三维定常导热分析是传热学中较为复杂的一种类型，需要考虑物体的三个空间维度上的热量传递情况控制方程1三维傅里叶导热方程边界条件2温度、热流、对流边界条件数值求解3有限差分法、有限元法结果分析4温度场、热流分布三维定常导热分析主要应用于复杂形状的物体，例如建筑物、电子设备等，其求解方法主要依赖于数值计算，例如有限差分法和有限元法边界条件类型及求解第一类边界条件第二类边界条件给定边界温度值，例如在给定边界热流值，例如在x=0x=0处，℃处，T=100q=50W/m2第三类边界条件第四类边界条件给定边界对流换热系数和环境温给定边界接触热阻，例如在度，例如在处，处，x=0x=0R=

0.1m2·K/W，℃h=10W/m2·K T∞=20复杂结构定常导热分析几何建模使用有限元软件建立复杂结构的几何模型，确保模型的准确性网格划分根据结构特征和热传导特点，对模型进行网格划分，确保网格质量边界条件设定根据实际情况，设置结构表面的边界条件，例如温度、热流或对流换热系数求解利用有限元方法，求解结构内部的温度场分布，并分析热量传递情况结果分析根据求解结果，分析复杂结构的热传导特性，评估结构的热性能热电偶温度测量原理热电偶是利用两种不同金属导体形成闭合回路，当两接点温度不同时，回路中就会产生热电势，这种现象称为塞贝克效应热电偶温度测量原理基于塞贝克效应，通过测量热电势来间接测定温度，从而实现温度的测量热电偶温度测量方法接触式测量非接触式测量将热电偶直接接触被测物体，测量其温度该方法精度较高，但可能影响物体温度使用红外热像仪等设备，通过检测物体表面辐射的红外线来测量温度该方法无需接触物体，但精度较低热辐射基础理论热辐射定义热辐射特性

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22.热辐射是指物体由于自身温度热辐射具有波长范围广、传播而发射的电磁辐射所有温度速度快、不受介质影响等特点高于绝对零度的物体都会以电它主要与物体的温度和表面磁波的形式发射能量，这种能性质有关量称为热辐射普朗克黑体辐射定律斯蒂芬玻尔兹曼定律

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4.-34普朗克黑体辐射定律描述了黑体在不同温度下辐射能量的分斯蒂芬玻尔兹曼定律指出黑体-布规律，是研究热辐射的基础辐射的总能量与绝对温度的四理论次方成正比，是计算热辐射能量的重要公式黑体辐射理论黑体是一种理想化的物体，能够完全吸收所有照射在其表面的电磁辐射，同时也能发射所有波长的电磁辐射黑体辐射的能量分布由普朗克黑体辐射定律决定，该定律描述了不同温度下黑体辐射的光谱功率密度1温度温度越高，黑体辐射的总能量越大1波长辐射峰值波长随温度变化，温度越高，峰值波长越短1强度黑体辐射强度随温度升高而增加，峰值强度也随之增加灰体辐射理论黑体吸收所有入射辐射能量，且在任何温度下均能发射出最大辐射能量灰体吸收率和发射率都与波长无关，但其吸收率和发射率均小于1实际物体实际物体都不是黑体，但可以用灰体模型近似描述定常辐射热传输分析热力学第一定律1能量守恒，辐射能量交换辐射热交换方程2计算物体表面之间的辐射热量辐射热传输分析方法3有限元法、有限差分法等定常辐射热传输分析是一种常见的热量传递过程，涉及物体之间通过电磁辐射形式交换热量应用广泛，例如太阳能电池、建筑保温等非定常传热问题分析温度随时间变化1非定常传热是指温度随时间变化的传热过程这种传热形式通常在加热或冷却物体时发生例如，将一块金属加热到高温，金属内部的温度会逐渐升高，直到达到热平衡状态热量储存2在非定常传热过程中，物体的温度随时间变化，这意味着物体储存的热量也随之变化热量储存是一个重要的概念，它影响了物体温度变化的速度温度梯度3非定常传热中，物体内部存在温度梯度，即不同位置的温度不同温度梯度驱动热量从高温区域向低温区域流动，导致物体内部的温度分布随时间变化一维非定常导热分析非定常导热分析中，温度随时间和位置变化热扩散方程1描述温度随时间和空间的变化规律初始条件2设定初始时刻的温度分布边界条件3设定物体边界上的温度或热流情况根据热扩散方程、初始条件和边界条件，可以使用数值方法求解温度场二维非定常导热分析建立数学模型根据传热问题的边界条件、初始条件和热物理性质，建立二维非定常热传导方程选择数值方法常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和边界元法选择合适的数值方法取决于问题复杂性和精度要求离散化处理将连续的热传导方程离散化，将二维空间和时间划分为网格和时间步长求解方程组利用数值方法求解离散化后的方程组，得到各节点在不同时刻的温度值结果分析根据数值解，分析二维物体在不同时间下的温度分布，并根据需要进行可视化处理三维非定常导热分析三维非定常导热分析涉及复杂几何形状，需要考虑温度随时间和空间变化，难度更高三维偏微分方程1描述温度随时间和三个空间坐标的变化数值方法2使用有限差分法或有限元法求解方程边界条件3指定物体表面或内部节点的温度或热流数值模拟4对温度场进行预测和分析三维非定常导热分析在许多工程应用中发挥重要作用，例如电子设备散热、建筑热性能分析等边界条件处理方法第一类边界条件第二类边界条件第三类边界条件已知边界上的温度值已知边界上的热流密度已知边界上的对流热交换系数和周围介质温度复杂结构非定常导热几何形状复杂1形状不规则的结构，例如带肋片的管子或多孔材料，导致热量传递路径错综复杂，需要更复杂的模型和求解方法材料特性各异2不同材料的热传导率、热容和密度差异显著，影响热量在结构内部的传递速度和分布边界条件变化3复杂结构的边界条件可能非均匀，例如不同区域的温度变化、热流密度或对流系数不同热扩散方程数值解法有限差分法有限元法将连续的导数用差分公式近似表示，将偏微分方程转化为差分方将求解区域划分为有限个单元，每个单元上用多项式插值函数近程，进而求解似表示未知量，然后建立整体方程组求解适用于规则形状区域，计算量较小，但精度较低，误差累积较大适用于不规则形状区域，精度较高，但计算量较大，需要专业软件支持控制体法及差分格式控制体定义1将计算区域划分为多个有限大小的控制体节点位置2每个控制体中心对应一个节点守恒方程3对每个控制体应用能量守恒定律差分格式4将微分方程离散化，得到差分方程控制体法是一种将连续的物理问题转化为离散问题的方法，将计算域划分成多个小的控制体，每个控制体对应一个节点通过对每个控制体应用能量守恒定律，并使用差分格式离散化偏微分方程，将传热问题转化为线性代数方程组，从而可以使用数值方法求解有限元法在非定常传热中的应用离散化形状函数

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22.将连续的物理域离散成有限个使用形状函数来近似表示单元单元，每个单元包含若干节点内温度场的变化积分求解时间步长

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4.34对每个单元进行积分运算，构通过设置时间步长，逐步求解建方程组温度场随时间的变化一维非定常传热问题示例问题描述1描述一个具体的传热问题，如加热或冷却一根金属棒建立模型2根据问题描述，建立一维非定常导热方程，并确定边界条件求解方程3使用数值方法，如有限差分法或有限元法求解导热方程，获得温度分布结果分析4分析温度分布变化规律，解释传热现象，验证模型可靠性例如，可以选择一根金属棒，并在其中一端施加热量，观察温度在不同时间点上的变化可以通过绘制温度随时间和位置的变化曲线来直观地观察传热过程二维非定常传热问题示例问题描述1定义二维空间中的几何形状、边界条件和初始条件数值方法2选择合适的数值方法，例如有限差分法或有限元法编程实现3使用编程语言编写代码，模拟热量传递过程结果分析4分析模拟结果，验证其合理性例如，可以模拟一个方形板材在不同边界条件下的温度变化情况三维非定常传热问题示例示例一立方体加热1考虑一个立方体，初始温度为，将其置于的热环境中，分析其内部温度随时间变化20°C100°C示例二球形冷却2一个初始温度为的球形物体，突然暴露在的环境中，分析其表面温度和内部温度随时间的变化100°C20°C示例三管道流动3热流体在管道中流动，分析管壁温度和流体温度随时间和位置的变化复杂结构非定常传热问题示例问题描述例如，一个带有多个孔洞的金属板，其温度随时间变化模型建立需要根据实际情况，建立相应的传热模型，包括几何形状、材料属性、边界条件等数值求解采用有限元法或有限差分法等数值方法进行求解，得到温度随时间和空间的变化规律结果分析分析计算结果，例如，温度分布、热流密度等，并结合实际情况进行解释总结与重点复习回顾学习内容掌握重要公式理解传热原理培养解决问题的能力本课程涵盖了传热学的基本概学生需掌握导热、对流和辐射通过实验和案例分析，加深对本课程旨在培养学生分析和解念、定常传热和非定常传热等传热的基本公式，并能够运用传热现象和原理的理解，并能决传热问题的实际能力，并为核心内容，并探讨了各种传热这些公式进行传热问题的计算将其应用于实际工程问题中后续专业课程的学习奠定基础问题及其分析方法和分析课后习题讲解重点解析疑难解答练习巩固讲解重点习题，分析解题思路和方法解答学生提出的疑难问题，帮助理解知识点通过练习巩固课堂所学知识，提高解决问题的能力综合传热知识点巩固热传导热对流固体中热能传递，基于分子间热运动流体中热能传递，基于流体运动热辐射综合传热电磁波形式的热能传递，不需要介质实际应用中，三种传热方式常同时存在。