第五版传热学第四章
《传热学》(第五版)中国建筑工业出版社
《传热学》(第五版)中国建筑工业出版社1、冰雹落体后溶化所需热量主要是由以下途径得到：与地面的导热量与空气的对流换热热量注：若直接暴露于阳光下可考虑辐射换热，否则可忽略不计。
2、略3、略4、略5、略6、夏季：在维持20℃的室内，人体通过与空气的对流换热失去热量，但同时又与外界和内墙面通过辐射换热得到热量，最终的总失热量减少。
（）冬季：在与夏季相似的条件下，一方面人体通过对流换热失去部分热量，另一方面又与外界和内墙通过辐射换热失去部分热量，最终的总失热量增加。
（）挂上窗帘布阻断了与外界的辐射换热，减少了人体的失热量。
7、热对流不等于对流换热，对流换热 = 热对流 + 热传导热对流为基本传热方式，对流换热为非基本传热方式8、门窗、墙壁、楼板等等。
以热传导和热对流的方式。
9、因内、外两间为真空，故其间无导热和对流传热，热量仅能通过胆壁传到外界，但夹层两侧均镀锌，其间的系统辐射系数降低，故能较长时间地保持热水的温度。
当真空被破坏掉后，1、2两侧将存在对流换热，使其保温性能变得很差。
10、11、直线而为时曲线12、 q 首先通过对流换热使炉子内壁温度升高，炉子内壁通过热传导，使内壁温度生高，内壁与空气夹层通过对流换热继续传递热量，空气夹层与外壁间再通过热传导，这样使热量通过空气夹层。
（空气夹层的厚度对壁炉的保温性能有影响，影响的大小。
）13、已知：、℃ ℃ 墙高2、8m，宽3m 求：、、、解：＝℃ ℃14、已知：、、、℃、℃ 求：、、、解：15、已知：、、℃、、求：、℃16、已知:℃、℃、、℃ 求：、、解：17、已知：、、、℃ ℃、、、求：、、解：由于管壁相对直径而言较小，故可将此圆管壁近似为平壁即：＝若％％因为：，即：水侧对流换热热阻及管壁导热热阻远小于燃气侧对流换热热阻，此时前两个热阻均可以忽略不记。
18、略第一章导热理论基础思考题与习题（）答案：1、略2、已知：、、、求：、解：由计算可知，双Low-e膜双真空玻璃的导热热阻高于中空玻璃，也就是说双Low-e膜双真空玻璃的保温性能要优于中空玻璃。
传热学-第五版-中建工-课后答案详解
绪论思考题与习题（89P -）答案：1． 冰雹落体后溶化所需热量主要是由以下途径得到：Q λ—— 与地面的导热量 f Q ——与空气的对流换热热量注：若直接暴露于阳光下可考虑辐射换热，否则可忽略不计。
2．略 3．略 4．略 5．略6．夏季：在维持20℃的室内，人体通过与空气的对流换热失去热量，但同时又与外界和内墙面通过辐射换热得到热量，最终的总失热量减少。
（T T 〉外内）冬季：在与夏季相似的条件下，一方面人体通过对流换热失去部分热量，另一方面又与外界和内墙通过辐射换热失去部分热量，最终的总失热量增加。
（T T 〈外内）挂上窗帘布阻断了与外界的辐射换热，减少了人体的失热量。
7．热对流不等于对流换热，对流换热 = 热对流 + 热传导 热对流为基本传热方式，对流换热为非基本传热方式 8．门窗、墙壁、楼板等等。
以热传导和热对流的方式。
9．因内、外两间为真空，故其间无导热和对流传热，热量仅能通过胆壁传到外界，但夹层 两侧均镀锌，其间的系统辐射系数降低，故能较长时间地保持热水的温度。
当真空被破坏掉后，1、2两侧将存在对流换热，使其保温性能变得很差。
10．t R R A λλ= ⇒ 1t R R Aλλ==2218.331012m --=⨯ 11．q t λσ=∆ const λ=→直线 const λ≠ 而为λλ=（t ）时→曲线12. i R α 1R λ 3R λ 0R α 1f t −−→ q首先通过对流换热使炉子内壁温度升高，炉子内壁通过热传导，使内壁温度生高，内壁与空气夹层通过对流换热继续传递热量，空气夹层与外壁间再通过热传导，这样使热量通过空气夹层。
（空气夹层的厚度对壁炉的保温性能有影响，影响a α的大小。
） 13．已知：360mm σ=、0.61()Wm K λ=∙ 118f t =℃ 2187()Wh m K =∙210f t =-℃ 22124()Wh m K =∙ 墙高2.8m ，宽3m求：q 、1w t 、2w t 、φ 解：1211t q h h σλ∆=++＝18(10)45.92870.61124--=++2W m111()f w q h t t =-⇒ 11137.541817.5787w f q t t h =-=-=℃ 222()w f q h t t =-⇒ 22237.54109.7124w f q t t h =+=-+=-℃ 45.92 2.83385.73q A W φ=⨯=⨯⨯=14.已知：3H m =、0.2m σ=、2L m =、45λ=()W m K ∙ 1150w t =℃、2285w t =℃求：t R λ、R λ、q 、φ解：40.27.407104532t K R W A HL λσσλλ-====⨯⨯⨯30.2 4.4441045t R λσλ-===⨯2m K W ∙3232851501030.44.44410t KW q m R λ--∆-==⨯=⨯ 3428515010182.37.40710t t KW R λφ--∆-==⨯=⨯ 15．已知：50i d mm =、 2.5l m =、85f t =℃、273()Wh m K =∙、25110Wq m =求：i w t 、φ()i w f q h t h t t =∆=-⇒iw f qt t h =+51108515573=+=℃0.05 2.551102006.7i Aq d lq Wφππ===⨯⨯=16.已知:150w t =℃、220w t =℃、241.2 3.96()W c m K =∙、1'200w t =℃求： 1.2q 、'1.2q 、 1.2q ∆解：12441.2 1.2()()100100w w t t q c ⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦44227350273203.96()()139.2100100W m ++⎡⎤=⨯-=⎢⎥⎣⎦12''441.21.2()()100100w w t t qc ⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦442273200273203.96()()1690.3100100W m ++⎡⎤=⨯-=⎢⎥⎣⎦'21.2 1.2 1.21690.3139.21551.1Wq q q m ∆=-=-=17．已知：224A m =、215000()Wh m K =∙、2285()Wh m K =∙、145t =℃2500t =℃、'2285()Wk h m K ==∙、1mm σ=、398λ=()Wm K ∙求：k 、φ、∆解：由于管壁相对直径而言较小，故可将此圆管壁近似为平壁 即：12111k h h σλ=++＝3183.5611101500039085-=⨯++2()W m k ∙ 383.5624(50045)10912.5kA t KW φ-=∆=⨯⨯-⨯=若k ≈2h'100k kk-∆=⨯％8583.56 1.7283.56-==％ 因为：1211h h，21h σλ 即：水侧对流换热热阻及管壁导热热阻远小于燃气侧对流换热热阻，此时前两个热阻均可以忽略不记。
《传热学》(第五版)
第一章导热理论基础2已知：10.62()W m K λ=∙、20.65()W m K λ=∙、30.024()W m K λ=∙、40.016()W m K λ=∙求：'R λ、''R λ 解：2'3124124224259210 1.1460.620.650.016m K R W λσσσλλλ-⨯⨯⨯⨯⎛⎫∙=++=++⨯= ⎪⎝⎭'"232232560.265/0.650.024R m k W λσσλλ⨯⎛⎫=+=+=⋅ ⎪⎝⎭由计算可知，双Low-e 膜双真空玻璃的导热热阻高于中空玻璃，也就是说双Low-e 膜双真空玻璃的保温性能要优于中空玻璃。
5．6．已知：50mm σ=、2t a bx =+、200a =℃、2000b =-℃/m 2、45()Wm K λ=∙求：（1）0x q =、6x q = （2）v q解：（1）00020x x x dtq bx dx λλ====-=-= 3322452(2000)5010910x x x dtW q bx m dx σσσλλ-====-=-=-⨯⨯-⨯⨯=⨯（2）由220vq d t dx λ+=2332245(2000)218010v d t W q b m dxλλ=-=-=-⨯-⨯=⨯9．取如图所示球坐标，其为无内热源一维非稳态导热 故有：22t a t r r r r τ∂∂∂⎛⎫= ⎪∂∂∂⎝⎭00,t t τ==0,0tr r∂==∂ ,()f tr R h t t rλ∂=-=-∂ 10．解：建立如图坐标，在x=x 位置取dx 长度微元体，根据能量守恒有：x dx x Q Q Q ε++= （1）x dt Q dx λ=-+()x dx d dtQ t dx dx dxλ+=-++∙ 4()b b Q EA E A T Udx εεεσ===代入式（1），合并整理得：2420b fU d t T dx εσλ-= 该问题数学描写为：2420b f U d t T dx εσλ-= 00,x t T == ,0()x ldtx l dx ===假设的 4()b e x ldtfT f dx λεσ=-=真实的 第二章稳态导热3.解：（1）温度分布为 121w w w t t t t x δ-=-(设12w w t t >)其与平壁的材料无关的根本原因在 coust λ=（即常物性假设），否则t 与平壁的材料有关 （2）由 dtq dxλ=- 知，q 与平壁的材料即物性有关5.解： 2111222()0,(),w w ww d dt r dr drr r t t t t r r t t===>==设有：12124()11w w Q t t r r πλ=-- 21214F r r R r r λπλ-=7.已知：4,3,0.25l m h m δ=== 115w t =℃, 25w t =-℃, 0.7/()W m k λ=⋅ 求：Q解： ,l h δ ，可认为该墙为无限大平壁15(5)0.7(43)6720.25tQ FW λδ∆--∴==⨯⨯⨯= 8.已知：2220,0.14,15w F m m t δ===-℃，31.28/(), 5.510W m k Q W λ=⋅=⨯ 求：1w t解： 由 tQ Fλδ∆= 得一无限平壁的稳态导热312 5.510150.141520 1.28w w Q t t F δλ⨯=+=-+⨯=⨯℃ 9.已知：12240,20mm mmδδ==，120.7/(),0.58/()W m k W m k λλ=⋅=⋅3210.06/(),0.2W m k q q λ=⋅=求：3δ解： 设两种情况下的内外面墙壁温度12w w t t 和保持不变，且12w w t t >221313由题意知：1211212w w t t q δδλλ-=+122312123w w t t q δδδλλλ-=++再由： 210.2q q =，有121231212121230.2w w w w t t t t δδδδδλλλλλ--=+++得：123312240204()40.06()90.60.70.58mm δδδλλλ=+=⨯⨯+= 10.已知：1450w t =℃，20.0940.000125,50w t t λ=+=℃，2340/q W m ≤ 求：δ 解： 412,0.094 1.25102w w t t tq m m λλδ+∆==+⨯⨯41212[0.094 1.2510]2w w w w t t t t tmq qδλ+-∆==+⨯⋅ 44505045050[0.094 1.2510]0.14742340m +-=+⨯⨯⨯= 即有 2340/147.4q W m m mδ≤≥时有 11.已知：11120,0.8/()mm W m k δλ==⋅，2250,0.12/()mm W m k δλ==⋅33250,0.6/()mm W m k δλ==⋅求：'3?δ=解： '2121'3123112313,w w w w t t t t q q δδδδδλλλλλ--==+++由题意知：'q q =212tw 1tw 2q 11λ12λ23λ322即有：2121'3123112313w w w wt t t t δδδδδλλλλλ--=+++'33322λδδδλ=+ 0.6250505000.12mm =+⨯= 12.已知：1600w t =℃，2480w t =℃，3200w t =℃，460w t =℃ 求：123,,R R R R R R λλλλλλ解：由题意知其为多层平壁的稳态导热 故有： 14122334123w w w w w w w w t t t t t t t t q R R R R λλλλ----====∴112146004800.2260060w w w w R t t R t t λλ--===-- 223144802000.5260060w w w w R t t R t t λλ--===--33414200600.2660060w w w w R t t R t t λλ--===-- 14.已知：1）11012,40/(),3,250f mm W m k mm t δλδ==⋅==℃，60f t =℃ 220112,75/(),50/()h W m k h W m k λλ==⋅=⋅ 2）223,320/()mm W m k δλ==⋅ 3）2'23030,,70/()h W m k δδλλ===⋅求：123123,,,,,q q q k k k ∆∆∆ 解：未变前的122030102250605687.2/1113101754050f f t t q W m h h δλ---===⨯++++tw 1tw 4tw 2tw 3R 1R2R3R =R 1+R 2R3+t αt f221）21311121129.96/()1112101754050k W m k h h δλ-===⋅⨯++++ 21129.96(25060)5692.4/q k t W m =∆=⨯-= 21105692.45687.2 5.2/q q q W m ∆=-=-= 2）22321221129.99/()11131017532050k W m k h h δλ-===⋅⨯++++ 22229.99(25060)5698.4/q k t W m =∆=⨯-= 22205698.45687.211.2/q q q W m ∆=-=-= 3) 22330'101136.11/()131********k W m k h h δλ-===⋅⨯++++ 23336.11(25060)6860.7/q k t W m =∆=⨯-= 23306860.75687.21173.5/q q q W m ∆=-=-= 321q q q ∴∆∆>∆ ，第三种方案的强化换热效果最好 15.已知：35,130A C B mm mm δδδ===，其余尺寸如下图所示，1.53/(),0.742/()A C B W m k W m k λλλ==⋅=⋅求：R λ解：该空斗墙由对称性可取虚线部分，成为三个并联的部分R 1R 1R 1R2R3R 2R 2R3R311113222,A B C A B C R R R R RR R R R =++==++ 3321111311135101301020.1307()/1.53 1.53C A B A B C R R m k W δδδλλλ--⨯⨯∴=++=⨯+==⋅332322222335101301020.221()/1.530.742C A B A B C R m k W δδδλλλ--⨯⨯=++=⨯+=⋅2212115.0410()/1111220.13070.221R m k W R R λ-∴===⨯⋅⨯+⨯+16.已知：121160,170,58/()d mm d mm W m k λ===⋅，2230,0.093/()mm W m k δλ==⋅33140,0.17/(),300w mm W m k t δλ==⋅=℃，450w t =℃求：1）123,,R R R λλλ; 2) l q : 3) 23,w w t t . 解：1）4211111170lnln 1.66410()/2258160d R m k W d λπλπ-===⨯⋅⨯2222221117060lnln 0.517()/220.093170d R m k W d λδπλπ++===⋅⨯ 223332222111706080lnln 0.279()/2220.1717060d R m k W d λδδπλδπ++++===⋅+⨯+tw 1112323tw 4132R R R λλλ∴< 2) 2330050314.1/0.5170.279l i t t q W m R R R λλλ∆∆-====++∑ 3）由 121w w l t t q R λ-=得 4211300314.1 1.66410299.95w w l t t q R λ-=-=-⨯⨯=℃ 同理：34350314.10.279137.63w w l t t q R λ=+=+⨯=℃ 17.已知：1221211,,22m m d d δδλλ=== 求：'ll q q 解：忽略管壁热阻010121020122211ln ln 222d d R d d λδδδπλπλδ+++=++ '010122010122211ln ln 222d d R d d λδδδπλπλδ+++=++ '',l l t tq q R R λλ∆∆== （管内外壁温13,w w t t 不变）01012'20101'010*******22211lnln 22222211ln ln 222l l d d q R d d d d q R d d λλδδδπλπλδδδδπλπλδ+++++∴==+++++01010010101001241lnln 22241ln ln 22d d d d d d d d δδδδδδ++++=++++由题意知： 1001011[(2)]2m d d d d δδ=++=+ 2112011[(2)]32mm m d d d d δδ=++=+ 即：21010101232()m m d d d d d δδδ=⇒+=+⇒= （代入上式）3''15ln 3ln23 1.277ln 3ln 23l l q R q R λλ+∴===+ 即： '0.783l l q q ='21.7%l llq q q -∆==即热损失比原来减小21.7%。
传热学第五版部分习题解答(5-7章)
《传热学》第五版部分习题解答第五章5-13 解:本题应指出是何种流体外掠平板，设是水外掠平板。
由60=m t ℃，查附录3 饱和水的热物理性质表得：610478.0-⨯=v m 2/s ，99.2=r p561082.210478.015.09.0Re ⨯=⨯⨯=⋅=-∞v x u x 41.11015.0)1082.2(0.5Re 0.5321521=⨯⨯⨯⨯==---x xδ mm98.099.241.13131=⨯==--rt p δδ mm5-18 解：55230802=+=+=wf m t t t ℃ 由附录2 ，查得空气的热物性参数为：210865.2-⨯=λW/(m.K) 61046.18-⨯=v m 2/s ， 697.0=r p5561051033.41046.188.010Re ⨯<⨯=⨯⨯=⋅=-∞v l u c 所以，此流动换热为层流换热。
923.0101046.18105Re 65=⨯⨯⨯=⋅=-∞u v x c c m46.6)697.0()105(923.010865.2332.0332.03121523121Re =⨯⨯⨯⨯⨯==-r c x h p c c λW/(m 2.K)94.6)697.0()1033.4(8.010865.2332.0332.03121523121Re=⨯⨯⨯⨯⨯==-r lh p l λW/(m 2.K)88.1364.922=⨯==l h h W/(m 2.K)2.555)3080(18.088.13=-⨯⨯⨯=∆=Φt hA W5-23 解： (注意：本题可不做)参考课本p126页（15）到（5-33）式。
2t a by cy =-+；0,w y t t ==；220wd t dy ⎛⎫= ⎪⎝⎭；,t f y t t δ==得到w f w f tt t yt t θθδ-==-，代入速度场和该温度场于能量积分方程()0tf wd t u t t dy a dx y δ⎛⎫∂-= ⎪∂⎝⎭⎰，并且设t δςδ=，略去ς的高阶项，可以得到ς的表达式，进而得到t δ的表达式。
传热学第五第1-4章习题解答
《传热学》（第五版）第0章-第3 章习题解答第0章 绪论0-4、解答题略。
0-6 答:对流换热和对流不是同一现象.热对流是指:若流体有宏观运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象，简称对流.如热空气往上升时,把热量传给上部空间的冷空气的流动属于对流.对流换热是指流体在与它温度不同的壁面上流动时，二者之间（流体与壁面之间）产生的热量交换现象。
它是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。
如暖气片周围的空气受热后,沿着教室墙壁的流动;热水在热力管道内的流动等属于对流换热.0-6 答:首先,冬季和夏季的最大区别在于室外温度的不同.夏季室外温度比室内温度高,因此通过墙壁的热量传递是由室外传向室内.而冬季室外气温比较比室内低, 通过墙壁的热量传递是由室内传向室外.因此冬季和夏季墙壁内表面的温度不同,夏季高而冬季低.因此人体在冬季通过辐射而与墙壁的散热比夏季高很多.人对冷暖感觉的衡量指标是散热量的大小而不是温度的高低,即当人体散热量少时感到热, 人体散热量多时感到冷.拉上窗帘后顿觉暖和,是因为窗帘起到了保温层的作用,减少了通过窗户向外散失的热量,故顿觉暖和!0-9 答:真空玻璃夹层:阻止热传导和对流换热;夹层内镀银:反射辐射热;热量如何通过瓶胆传到外界: 略瓶胆的玻璃尖嘴打破变得很差,因为空气进入夹层后,会由于空气与瓶胆壁面之间的对流换热而引起热量散失. 0-13：解： 61.0124161.036.08711121=++=++=h h R k λδ(m 2·K)/W 64.1610.011===k R k W/(m 2·K) 92.45)1018(64.1)(21=+=-=f f t t k q W/m 2 ∵)(111w f t t h q -= ∴47.178792.4518111=-=-=h q t t f w ℃ 又∵)(222f w t t h q -= ∴63.912492.4510222-=+-=+=h q t t f w ℃38.292.45⨯⨯==ΦqA =385.73 W0-14：解：4104.723452.0-⨯=⨯⨯==A R A λδ K/W (面积为A 2的平板表面上的热阻) 3104.4452.0-⨯===λδR (m 2·K)/W （单位面积热阻）431007.3104.4150285⨯=⨯-=∆=-R t q W/m 2 541084.161007.3⨯≈⨯⨯==ΦqA W0-15：解： ∵)(f w t t h q -= ∴15573511085=+=+=h q t t f w ℃ W7.20065.214.31050511023=⨯⨯⨯⨯=⋅⋅==Φ-lR q qA π0-17：解： （1）012.0851500011121=+=+=h h R (m 2·K)/W 3.83012.011===R k W/(m 2·K) 90963624)45500(3.83=⨯-⨯=∆=ΦtA k W（2）92820024)45500(85'=⨯-⨯=∆=ΦtA k W误差%2909636909636928200%100'≈-=⨯ΦΦ-Φ=ε （3）可以忽略，因为厚度很小，金属的导热系数较大，则导热热阻λδ很小。
传热学课后习题第四章答案
选择步长 x y ，又边界为绝热 h 0 ，整理有
t i 1, j t i , j
即
t i , j 1 t i , j 2
t i , j 1 t i , j 2
0
2ti 1, j ti, j 1 ti, j 1 4ti, j 0
4-2 解：根据热平衡方程有
t 2 t10 t5 t 7 4t 6 0
对节点 7
t 3 t11 t 6 t8 4t 7 0
对节点 10
t 6 t14 t9 t11 4t10 0
对节点 11
t 7 t15 t10 t12 4t11 0
对节点 14
t10 t18 t13 t15 4t14 0
hxt f t i , j
t i , j 1 t i , j 2
hx
0
(t i 1, j t i , j 1 ) 2(1
h
x)t i , j 2
tf 0
4-3 解：根据已知条件，划分网格如图所示 第一类边界条件
t w 200C
第二类边界条件
3 200 （2t 4 t 8 100 ） 14 3 3 200 t8 （2t 5 t 7 t 9 ） 14 3 t7
节点 9 为第三类边界条件下的外拐角边界节点
ti1, j ti, j 1 (2Bi 2)ti, j 2Bi t f 0
对节点 20
t16 t 20 t t 24 20 (t19 t 20 ) hy t f t 20 0 2 2
对节点 16
传热学-第四章
m ,n
m ,n
m ,n
若取上面式右边的前三项，并将两式相加，移项整理 即得二阶导数的中心差分：
∂ t
2
∂x
2 m ,n
=
t m +1, n − 2 t m , n + t m −1, n Δx 2
截断误差 未明确 + o ( Δ x 2 ) 写出的级数余项中 的Δx的最低阶数 为2
同样可以写出：
1. 边界节点离散方程的建立：
qw qw
(1) 平直边界上的节点
λΔy
t m −1,n − t m ,n Δx + Δyqw
Δx t m ,n +1 − t m ,n Δx t m ,n −1 − t m,n +λ +λ Δy 2 2 Δy Δx & + Φm ,n Δy = 0 2
y o x
Δx = Δy
2
+
& Φ v , m ,n
λ
=0
如果Δx=Δy ，则
t m ,n & ⎞ Φ v ,m ,n 1⎛ 2⎟ ⎜ t m +1,n + t m −1,n + t m,n +1 + t m,n −1 + = Δx ⎟ 4⎜ λ ⎝ ⎠
对于无内热源，且Δx=Δy
t m ,n = 1 (t m+1,n + t m−1,n + t m,n +1 + t m,n −1 ) 4
如果有内热源，且Δx=Δy ，则
t m ,n
§4-3 边界节点离散方程的建立及代数方程的求解
对于第一类边界条件的热传导问题，处理比较简单，因 为已知边界的温度，可将其以数值的形式加入到内节点的离 散方程中，组成封闭的代数方程组，直接求解。 而对于第二类边界条件或第三类边界条件的热传导问 题，就必须用热平衡的方法，建立边界节点的离散方程，边 界节点与内节点的离散方程一起组成封闭的代数方程组，才 能求解。 为了求解方便，这里我们将第二类边界条件及第三类边 界条件合并起来考虑，用qw表示边界上的热流密度或热流密 · 度表达式。用Φ表示内热源强度。
传热学第五版课件完整版PPT课件
d 2t qV 0 2 dx
7.物性参数λ 、 ρ 、c均为常数，一维稳态温度场，无内热源：
d 2t 0 2 dx
第四节
通解
导热过程的单值性条件
特解
作用：用来对某一特定的导热过程进行进一步的具体说明
四种单值性条件：
几 何 条 件 时 间 条 件 物 理 条 件 边 界 条 件
δ,l,d……
q z
t z
第二节
导热系数
每种物质的导热系数可通过实验确定 常用物质可查表获取
一 般 规 律
固相>液相>气相 金属>非金属 晶体>无定形态 纯物质>有杂质物质 纯金属>合金
导热系数的主要影响因素：温度、压力
气体的导热系数：
随温度升高而增大（由于分子运动速度和比定容热容增大），
压力对其影响不大（密度增大但自由程减小）
第三节
导热微分方程式
研究目标：确定物体内的温度场
研究基础： 导热微分方程式＝能量守恒定律＋傅立叶定律 研究对象： 右 图 中 的 六 面 微 元 体
根据能量守恒定律： 导入和导出微元体的净热量＋微元体中内热源的发热量 ＝微元体热能（内能）的增加
在一定时间dτ内: 导入微元体的净热量： 导出微元体的净热量：
t t t t c qV x x y y z z
——导热微分方程式
在几种特殊条件下对导热微分方程式的简化：
1.物性参数λ 、 ρ 、c均为常数：
q z dz q z q z dz z
q y
代入上式
再将傅立叶定律代入，得出： 三个方向导入与导出微元体的净热量：
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移项整理，得：
ti , j ti 1, j t 0x ——向后差分 x x i , j
（1）式减（2）式，得：
ti 1, j ti 1, j t 0 x 2 ——中心差分 2x x i , j
（1）式加（2）式，得：
ε
——允许误差
简单迭代法的缺点 ——由于每次迭代中使用与真实值偏差较大的上次迭代的旧值， 使运算过程接近真实值的时间增加
高斯－赛德尔迭代法 ——将本次迭代的最新结果立刻代入本次迭代过程计算其他未知值
1 t10 t1 0 t2 0 tn 1 t1 1 t1 t12
t12
t12
t1k
t1k 1
迭代法
迭代法的原理
假定初值
根据假定的初值求新值， 并重复此步骤若干次 两次计算值足够接近， 认为达到真实值
简单迭代法——每次迭代时使用上次迭代的结果
t10 0 t2
0 tn
1 t1 1 t2
1 tn
t1k k t2
k tn
t1k 1 k 1 t2
k t n 1
max tik 1 tik 时结束
3.C＋＋ —— C plus plus，C语言的增强版，目前最常用的应用程序设计 语言，数值计算软件主要使用的语言。
二、常用计算软件
1.MATLAB——矩阵计算软件
matlab软件主界面
2.FLUENT——流体流动通用数值计算软件
3. FLUENT AIRPAK ——人工环境系统分析软件，暖通空调专业和传热学领域必备软件
ti 1, j 2ti , j ti 1, j 2t 2 0 x 2 x x 2 i , j
同理可得：
ti , j 1 2ti , j ti , j 1 2t 2 0 y 2 y y 2 i , j
其他情况的节点方程 ——见教材表4－1
外拐角与内拐角节点
对流边界内部拐角节点热平衡：
节点方程式推导实例 ——对流边界外部拐角节点
ti 1, j ti , j y ti , j 1 ti , j x x y ht f ti , j ht f ti , j 0 x 2 y 2 2 2
k k k k ti Fo ti 1 ti 1 1 2 Foti
优点——可根据kΔ τ 时刻温度分布直接计算(k+1)Δ τ 时刻温度分布 缺点——选择Δ x和 Δ τ 时必须满足稳定性条件 a a 1 或 1 2 0 2 2 x x 2
Δx＝Δy时简化为：
t
i 1, j
hx hx ti , j 1 2 2 tf 0 ti , j 2
数值导热离散方程组＝内节点离散方程＋边界节点离散方程
三、节点离散方程组的求解——迭代法
消元法——方程过多时计算机内存不足 离散方程组的求解方法
2.热平衡法 ——对每个节点所代表的元体用傅立叶定律直接写出其能量守恒表达式
由微元体四个方向导入微元体的热量分别为：
ti 1, j ti , j LP x ti 1, j ti , j RP x ti , j 1 ti , j TP y ti , j 1 ti , j BP y
根据能量守恒定律： 将四式相加并除以 ΔxΔy，即得到 ：
LP
y y x x
RP TP BP 0
x
2
与泰勒级数展开法 结果完全相同
Байду номын сангаас
ti 1, j 2ti , j ti 1, j
ti , j 1 2ti , j ti , j 1 y
2
0 1 1 t2 t2 t2 0 tn 0 tn 1 tn
1 2 2 k k t2 t2 t2 t2 t2 1 1 tn 1 tn 2 tn k tn k tn 1
max tik 1 tik 时结束
高斯－赛德尔迭代法的优点 ——由于每次迭代中使用与真实值偏差较小的本次迭代的新值， 使运算过程接近真实值的时间缩短
第四章 导热数值解法基础
本章研究的目的 ——利用计算机求解难以用 分析解求解的导热问题 基本思想 ——把原来在时间、空间坐 标系中连续的物理量的场， 用有限个离散点的值的集合 来代替，通过求解按一定方 法建立起来的关于这些值的 代数方程，来获得离散点 上被求物理量的值。 研究手段——有限差分法
物理问题的数值求解过程
移项整理，得：
ti 1, j ti , j t 0x ——向前差分 x x i , j
0（Δ x）——截断误差
用节点（i,j）的温度来表示节点（i-1,j）的温度：
ti 1, j ti , j
2t x 2 3t x 3 t x 2 3 (2) x x x i , j i , j 2! i , j 3!
AIRPAK模拟温度场
第四章重点： 1.有限差分方程的建立 2.高斯－赛德尔迭代方法
第三节 非稳态导热的数值计算
研究对象——一维非稳态导热问题 一、显式差分格式
t 2t a x 2
tik 1 tik tik1 2tik tik1 a 一维非稳态导热内节点差分方程： x 2
移项整理后得到：
tik 1
a k a ti 1 tik1 1 2 x 2 x 2
Δx＝Δy时简化为：
ti , j
2xqw 1 2ti 1, j ti , j 1 ti , j 1 4
绝热边界：
ti , j
1 2ti 1, j ti , j 1 ti , j 1 4
3.第三类边界条件： qw h t f ti , j
二、隐式差分格式
一维非稳态导热内节点差分方程：
tik tik 1 tik1 2tik tik a x 2
或可写成：
tik 1 tik tik1 2tik 1 tik1 1 a 1 x 2
节点(i,j)处新值依赖于相邻节点新值， 未知值间相互耦合，方程组必须联立求解
细密 结果更精确， 但运算时间长
稀疏
运算时间短， 但结果误差较大
网格细密程度应合理选择
二、建立离散方程的方法
2t 2t ——即将 2 0 转换为差分格式 2 x y
1.泰勒级数展开法
用节点（i,j）的温度来表示节点（i+1,j）的温度：
ti 1, j ti , j
2t x 2 3t x 3 t x 2 3 (1) x x x i , j i , j 2! i , j 3!
由于泰勒级数展开法对复杂情况的处理存在困难， 边界节点差分方程一般用热平衡法来建立。
二、边界节点离散方程的建立
——以右边界为例 1.第一类边界条件：
边界
ti , j t w
2.第二类边界条件：
ti 1, j ti , j x ti , j 1 ti , j x ti , j 1 ti , j x y qw y 0 y 2 y 2
二维稳态导热离散方程：
ti 1, j 2ti , j ti 1, j x
2
ti , j 1 2ti , j ti , j 1 y
2
0
正方形节点时， Δx＝Δy，离散方程为 ：
ti 1, j ti 1, j ti , j 1 ti , j 1 4ti , j 0
数值法求解物理问题的计算机原理：
决定待运算数据的存贮量
节点方程
输入设备 临时存贮单元 计算结果
决定数据的运算速度
运算中枢
输出设备
存贮器
第一节 建立离散方程的方法
一、区域和时间的离散化（以二维导热为例） 网格 微元体
内节点
边界节点
空间步长：Δ x，Δ y
时间步长： Δ τ
网格细密程度对求解过程的影响
ti 1, j ti , j x
ti , j 1 ti , j x ti , j 1 ti , j x y ht f ti , j y 0 y 2 y 2
Δx＝Δy时简化为：
2t
i 1, j
hx hx ti , j 1 ti , j 1 4 2 ti , j 2 tf 0
0
第二节 稳态导热的数值计算
一、内节点离散方程的建立
常物性、无内热源的二维稳态导热中，均分网格的表达式：
ti 1, j ti 1, j ti , j 1 ti , j 1 4ti , j 0
对于每个内节点，差分方程均可写出，但尚需补充边界节点 的差分方程，才能得到描述整个导热问题的完整方程组。
优点——无条件稳定 缺点——不可根据kΔ τ 时刻温度分布直接计算 (k+1)Δ τ 时刻温度分布
第四节 常用算法语言和计算软件简介
一、常用算法语言
1.FORTRAN语言 ——Formula Translation，数值计算领域所使用的主要语言。
2.C语言 ——将高级语言的基本结构和语句与低级语言的对地址操作结合 起来的应用程序设计语言。