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三种热能传递方式-有限元分析入门与应用

时间:2023-11-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:由此式可知,包含热辐射的热分析是高度非线性的。最后应当指出的是,热传导、热对流和热辐射的基本定律,也即傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩-玻尔兹曼定律适用于稳态和瞬态传热过程。

三种热能传递方式-有限元分析入门与应用

1.热传导

(1)基本概念 温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时,依靠分子、原子自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导。例如,固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分。

(2)特点 传热是物体的固有性质(只要存在温差)。依靠微观粒子的无规则热运动,需直接接触,物体各部分不发生宏观的位移。

(3)热传导基本方程(傅里叶定律)

式中,Q为热流量,是指单位时间内通过某一给定面积的热量,单位为W;dT/dx温度梯度,单位为℃/m;A为导热面积,单位为m2λ为导热系数,是表征材料导热性能好坏的参数,导热系数越大,物体的导热性能越好,单位为W/(m·℃)。

热流密度是指单位时间内通过单位面积的热流量,记为q,单位为W/m2,公式为

2.热对流

(1)基本概念 流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混所导致的热量传递过程称为热对流。工程上对流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程称为对流传热。

(2)特点 热对流只能发生在流体中,宏观运动加流体导热就是对流换热。对流换热的机理与通过紧靠换热面上的薄膜层的热传导有关。

(3)对流换热分类 根据引起流动的原因分为自然对流和强制对流。根据对流换热时是否发生相变分为有相变对流换热和无相变对流换热。液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热称为沸腾换热和凝结换热(伴随着相变对流换热)。

(4)对流换热的基本定律(牛顿冷却公式)

Q=hAΔT=hATs-Tf| (6-3)(www.xing528.com)

式中,ΔT为温差,约定永远取正值;Ts为表面温度,单位为℃;Tf为流体温度,单位为℃;A为对流面积,单位为m2h为对流换热系数,表示单位温差作用下通过单位面积的热流量,对流换热系数越大,对流换热越剧烈,单位为W/(m2·℃)。

对流换热系数大小与对流传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置,而且还与流速有密切的关系。

3.热辐射

1)基本概念:物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。物体间以辐射的形式传递热量称为辐射传热。黑体是一种理想物体,指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。

2)黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩-玻尔兹曼定律揭示。实际物体辐射热流量的计算可采用斯忒藩-玻尔兹曼定律的经验修正形式,即辐射传热的基本公式为

Q=εAσT4 (6-4)

式中,ε为物体的发射率(黑度),与物体的种类和表面状态有关;A为辐射面积,单位为m2σ为斯忒藩 玻尔兹曼常数,即黑体辐射常数,是个自然常数,其值为5.67×10-8W/(m2·K4);T为黑体的热力学温度,单位为K。

通常,工程中考虑投射到两个或两个以上物体之间的辐射热量的吸收过程,它们之间的净热量传递可采用斯忒藩 玻尔兹曼方程来计算:

Q=σε1A1F12T41-T42) (6-5)

式中,Q为热流率;σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数;ε1为热辐射率(黑度);A1为辐射面1的面积;T1为辐射面1的热力学温度;T2为辐射面2的热力学温度;F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数。由此式可知,包含热辐射的热分析是高度非线性的。

最后应当指出的是,热传导、热对流和热辐射的基本定律,也即傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩-玻尔兹曼定律适用于稳态和瞬态传热过程。若为瞬态传热过程,公式中的温度是瞬时温度,温度T不仅是坐标的函数,而且还与时间有关。

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