传热学大作业
传热学作业——精选推荐
传热学作业第一章绪论能量平衡分析1-8.有两个外形相同的保温杯A与B，注入同样温度、同样体积的热水后不久，A杯的外表面就可以感觉到热，而B杯的外表面则感觉不到温度的变化，试问哪个保温杯的质量较好？答：Ｂ：杯子的保温质量好。
因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少，经外部散热以后，温度变化很小，因此几乎感觉不到热。
导热1-10 一炉子的炉墙厚13cm，总面积为20m2，平均导热系数为1.04w/m.k，内外壁温分别是520℃及50℃。
试计算通过炉墙的热损失。
如果所燃用的煤的发热量是2.09×104kJ/kg，问每天因热损失要用掉多少千克煤？解：根据傅利叶公式每天用煤Q??A?t1.04?20?(520?50)??75.2KW?0.1324?3600?75.2?310.9Kg/d4 2.09?10 1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度tw=69℃，空气温度tf=20℃，管子外径d=14mm，加热段长80mm，输入加热段的功率8.5w，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？解：根据牛顿冷却公式q?2?rlh?tw?tf? qh??dtw?tf＝49.33W/(m2.k) 所以热阻分析1-21 有一台气体冷却器，气侧表面传热系数h1＝95W/(m2.K)，壁面厚?＝2.5mm，??46.5W/(m.K)水侧表面传热系数h2?5800W/(m2.K)。
设传热壁可以看成平壁，试计算各个环节单位面积的热阻及从气到水的总传热系数。
你能否指出，为了强化这一传热过程，应首先从哪一环节着手？解：R1?111?0.010526;R20.0025?5.376?10?5;R31.724?10?4;h1h25800?46. 5K?则111h1h2?＝94.7W/(m2.K)，应强化气体侧表面传热。
第二章稳态热传导平板导热2-2 一冷藏室的墙由钢皮矿渣棉及石棉板三层叠合构成，各层的厚度依次为0.794mm.,152mm及9.5mm，导热系数分别为45W/(m.K),0.07W/(m.K)及0.1W/(m.K)。
西安交通大学传热学大作业
《传热学》上机大作业二维导热物体温度场的数值模拟学校：西安交通大学姓名：张晓璐学号:10031133班级：能动A06一．问题（4-23）有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，形状和截面尺寸如下图所示，假设在垂直纸面方向冷空气和砖墙的温度变化很小，差别可以近似的予以忽略。
在下列两种情况下计算：砖墙横截面上的温度分布；垂直于纸面方向上的每米长度上通过墙砖上的导热量。
第一种情况：内外壁分别维持在10C ︒和30C ︒第二种情况：内外壁与流体发生对流传热，且有C t f ︒=101，)/(2021k m W h ⋅=，C t f ︒=302，)/(422k m W h ⋅=，K m W ⋅=/53.0λ二．问题分析 1.控制方程02222=∂∂+∂∂ytx t 2.边界条件所研究物体关于横轴和纵轴对称，所以只研究四分之一即可，如下图：对上图所示各边界：边界1：由对称性可知：此边界绝热，0=w q 。
边界2：情况一：第一类边界条件C t w ︒=10情况二：第三类边界条件)()(11f w w w t t h ntq -=∂∂-=λ 边界3：情况一：第一类边界条件C t w ︒=30情况二：第三类边界条件)()(22f w w w t t h ntq -=∂∂-=λ 三：区域离散化及公式推导如下图所示，用一系列和坐标抽平行的相互间隔cm 10的网格线将所示区域离散化，每个交点可以看做节点，该节点的温度近似看做节点所在区域的平均温度。
利用热平衡法列出各个节点温度的代数方程。
第一种情况： 内部角点：11~8,15~611~2,5~2)(411,1,,1,1,====++++=+-+-n m n m t t t t t n m n m n m n m n m 平直边界1：11~8),2(415~2),2(411,161,16,15,161,11,12,1,=++==++=+-+-n t t t t m t t t t n n n nm m m m平直边界2：7,16~7,107~1,6,10,,======n m t n m t n m n m平直边界3：12,16~2,30;12~1,1,30,,======n m t n m t n m n m第二种情况： 内部角点：11~8,15~611~2,5~2)(411,1,,1,1,====++++=+-+-n m n m t t t t t n m n m n m n m n m 平直边界1：11~8),2(415~2),2(411,161,16,15,161,11,12,1,=++==++=+-+-n t t t t m t t t t n n n nm m m m平直边界2：7,16~7206~1,61.0,10,)2(222111111,1,,1,======∆=∆︒=+∆∆+++=-+-n m h n m m y x C t xh t xh t t t t f f n m n m n m n m λλ平直边界3：12,16~2411~1,11.0,30,)2(222222221,1,,1,======∆=∆︒=+∆∆+++=-+-n m h n m m y x C t xh t xh t t t t f f n m n m n m n m λλ内角点：20,10,)3(22)(2111116,67,78,67,57,6=︒=+∆∆++++=h C t xh t xh t t t t t f f λλ外角点：4,30,)1(222222211,112,212,1=︒=+∆∆++=h C t xh t x h t t t f f λλ4,30,2222222,11,21,1=︒=+∆∆++=h C t xh t xh t t t f f λλ4,30,22222212,1511,1612,16=︒=+∆∆++=h C t xh t xh t t t f f λλ20,10,2111112,61,51,6=︒=+∆∆++=h C t xh t xh t t t f f λλ20,10,2111118,167,157,16=︒=+∆∆++=h C t xh t xh t t t f f λλ四．编程计算各节点温度和冷量损失（冷量推导在后面）（用fortran编程）由以上区域离散化分析可以得到几十个方程，要求解这些方程无疑是非常繁琐的，所以采用迭代法，用计算机编程求解这些方程的解，就可以得到各点温度的数值。
大学课程考试《传热学》作业考核试题
大学课程考试《传热学》作业考核试题试卷总分:100 得分:100一、单选题(共30 道试题,共60 分)1.下列物质中，（）可以产生热对流。
A.钢板B.熔融的铁水C.陶瓷D.铜丝正确答案:B2.炉墙内壁到外壁的热传递过程为（）。
A.热对流B.复合换热C.对流换热D.导热正确答案:D3.（）是在相同温度条件下辐射能力最强的物体。
A.灰体B.磨光玻璃C.涂料D.黑体正确答案:D4.对流换热系数为1000W/（m2·K）、温度为77的水流经27的壁面，其对流换热的热流密度为（）。
A.80000W/m2B.50000W/m2C.70000W/m2D.60000W/m2正确答案:B5.暖气片外壁与周围空气之间的换热过程为（）。
A.纯对流换热B.纯辐射换热C.传热过程D.复合换热6.规定了边界上的热流密度值，称为（）。
A.第二类边界条件B.第一类边界条件C.第三类边界条件D.与边界条件无关7.气体的导热系数随温度的升高而（）。
A.减小B.不变C.增大D.无法确定8.单纯的导热发生在中。
A.气体B.液体C.固体D.以上三种物体9.A.AB.BC.CD.D10.蒸汽中若含有不凝结气体，将（）凝结换热效果。
A.大大减弱B.大大增强C.不影响D.可能减弱也可能增强11.下列说法错误的是（）。
A.准则表征了浮升力与黏滞力的相对大小，反映自然对流流态对换热的影响B.准则反映表征壁面法向无量纲过余温度梯度的大小，而梯度的大小，能反映对流换热的强弱C.准则反映了动量扩散和热量扩散的大小，准则也称为物性准则。
D.准则表征了惯性力与黏滞力的相对大小，反映自然对流流态对换热的影响12.若换热器中，一侧流体为冷凝过程（相变），另一侧为单相流体，下列说法正确的是（）。
A.逆流可获得比顺流大的换热温差B.顺流可获得比逆流大的换热温差C.逆流和顺流可获得相同的温差D.垂直交叉流可获得最大换热温差13.采用蒸汽和电加热器对水进行加热，下列说法正确的是（）。
传热学大作业
• 机械密封系统中，密封环、液膜及密封介质之间 的传热规律直接影响着密封环的端面温度，端面 温度对机械密封运行的稳定性有着很大的影响， 端面温度的高低直接反映了端面间液膜的相态和 密封端面间的摩擦状态。端面温度过高可导致密 封端面间液膜的汽化、密封端面的变形、密封介 质物理性质的改变（固化、聚合、结焦）等问题， 严重的影响到了机械密封装置的安全运行和使用 寿命。因此，对机械密封传热特性的研究显的尤 为重要。
根据彭旭东等人提出的端面平均温度的 计 算方法对于非接触式中间旋转环 机械密封其端面平均温度计算公式如下：
6.小结
• 本文主要研究了影响非接触式中间旋转环机械 密封液膜传热特性的因素，根据其传热特性总 结推导了液膜摩擦热、介质循环量、摩擦热分 配系数以及对流换热系数和密封端面平均温度 的计算公式。通过计算液膜摩擦热可获得稳态 条件下介质循环量、摩擦热在密封端面分配系 数以及对流换热系数的大小，从而可以确定稳 态条件下机械密封环端面的平均温度，同时也 为非接触式中间旋转环机械密封环温度场的研 究提供了理论据。
传热学大作业
班级： 学号： 姓名：
中间旋转环机械密封传热特性研究
1.机构简介
• 随着现代工业的不断进步，机械密封工况向着高 压、高速方向发展。而高速机组轴端密封稳定性 问题始终是亟待解决的难题。在高速状态下，不 管是接触式机械密封抑或是非接触式机械密封， 端面温升引起的端面变形始终是制约机械密封稳 定性的关键因素。经前人理论分析及实验研究发 现，引起端面温升的一个重要因素为密封环端面 间的相对旋转速度，相对转速越高，密封端面间 产生的摩擦热越大，密封环端面温升越明显，热 变形量也越大。降低端面间的相对旋转速度可有 效的降低密封端面的温度，减小热变形量。然而 这只是在理论分析与实验总结下得到的结论。
传热学大作业报告二维稳态导热
传热学大作业报告二维稳态导热二维稳态导热大作业报告导热问题是传热学中非常重要的一个研究领域。
在导热问题中，我们研究的是物体内部的温度分布、热流分布以及热传导过程。
本次大作业中，我们将研究一个二维稳态导热问题，分析材料内部的温度分布情况。
在二维稳态导热问题中，我们假设热传导发生在一个二维平面内，而且热流只在平面内的两个方向上进行。
我们的目标是研究材料内部的温度分布情况，并找到材料内各个位置的温度。
为了研究这个问题，我们首先需要建立热传导的数学模型。
根据热传导方程，在稳态下，热传导的速率是不变的。
假设材料在x和y两个方向上的热传导系数分别为kx和ky，温度分布函数为T(x, y)，则可以得到以下的二维热传导方程：kx * d^2T/dx^2 + ky * d^2T/dy^2 = 0这是一个二维的亥姆霍兹方程，我们可以通过求解它来得到材料内部的温度分布。
为了进一步分析问题，我们对热传导方程进行了无量纲化处理。
使用无量纲化可以简化计算，并且使得结果更加清晰。
我们引入了一个无量纲化的温度变量θ，通过以下公式进行计算：θ=(T-T0)/(T1-T0)其中T是位置(x,y)处的温度，T0是最低温度，T1是最高温度。
这样处理之后，热传导方程可以写成：d^2θ/dx^2 + σ * d^2θ/dy^2 = 0其中σ = ky / kx 是无量纲化的热传导比。
为了求解这个二维亥姆霍兹方程，我们使用了有限差分法。
首先将平面划分成一个个小的网格单元，然后在每个网格单元中，使用二阶中央差分法对方程进行离散化。
最终得到一个线性方程组，可以通过求解该方程组，得到无量纲温度分布。
为了验证我们的计算结果，我们将研究一个简单的导热问题，即一个正方形材料中心局部加热的情况。
我们假设正方形材料的一部分区域中心加热，其余区域保持恒定温度。
我们通过计算得到了材料内部的温度分布，并且将结果与理论解进行了比较。
通过对比发现，计算结果与理论解非常吻合，验证了我们的计算方法的准确性和可靠性。
哈工大传热学大作业--传热学的新领域
3.机械加工以及金属加工的传热学应用
①金属切削刀具的散热问题与刀具的强度决定了刀的使用寿命和被加工表面的质 量与加工精度。金属切削加工时，材料弹性和塑形变形做的功以及前后刀面 与工件表面的摩擦做功产生的热量都需要通过切屑、工件、刀具和周围介质 散失到环境中，而切削刃的磨损情况与散热的快慢最为密切。当工件材料或 者刀具材料的导热系数大时，切削区散热良好，刀具的磨损减轻，使用寿命 较长，反之，刀具因温度过高发生组织性能转变，磨损加剧，因而需要使用 不同的切削液来加快散热，延长刀具寿命。 ②刀具的散热影响了切削用量的选择，进而影响加工表面的质量，通过对刀具切 削区温度场建立传热模型进行分析，可以更合理的设计刀具结构和选择切削 量，从而提高零件的加工精度，这方面在超精密加工中显得尤为重要。
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那么：基于对流方式的节能途径是： • 加大换热温差 • 可明显提高换热效率，但实际操作有一定难度。 主要要考虑有哪些场合涉及流体加热或冷却。 • 提高流体流速，增加紊流程度 • 注意控制流体与受热（冷却）面的相对运动方 向 • 设计合理的有利于流体运动的截面形状 • 例如炉膛形状，不仅影响散热面积，而且影响 换热效率， • 设法增大换热面积 肋片、翅片、排管… 炉膛内工件的合理堆放…
6.节能的传热学途径 （基于导热、对流、辐射）
• 总体概述：传热学是研究热量传递规律的一门科学， 它在解决许多工程问题中得到了非常广泛的应用。在研 究节能问题时，通过传热学寻找合适的途径是最根本的 措施 • 在研究节能中的传热学问题时，一般可以分成两种类 型： • 一类是强化传热过程的问题。比如，如何使工件快速 而均匀地达到加热要求，即尽可能地提高热效率，减少 能源的浪费。 • 另一类就是力求削弱传热，比如：各种加热炉的热量 尽可能少地向外界传递或散失，其他各类保温措施也都 属于此类。从节能观点来看，就是减少能量的无谓支出。
计算传热学大作业
计算传热学作业1、 一块厚度为2h=200mm 的钢板，放入T f =1000℃的炉子中加热，两表面换热系数h=174W/(m 2.℃),钢板的导热系数k=34.8 W/(m. ℃),热扩散率a=5.55×10-6m 2/s,初始温度T i =20℃. 求温度场的数值解；分别用显示、C-N 、隐式 解： 1、数学模型该问题属于典型的一维非稳态导热问题。
由于钢板两面对称受热，板内温度分布必以其中心截面为对称面。
因此，只要研究厚度为δ的一半钢板即可。
将x 轴的原点置于板的中心截面上。
这一半钢板的非稳态导热的数学描述为2、计算区域离散化：该一维非稳态导热问题可当做二维问题处理，有时间坐标τ和空间坐标x 。
采用区域离散方法A ，将空间区域等分为m 个子区域，得到m+1个节点。
如下图所示，纵坐标为时间，从一个时到另一个时层的间隔即时间步长为∆t ,每个时层都会对下一时层产生影响。
空间与时间网格交点(i ，k )，代表了时空区域的一个节点，其温度为，离散方法如下图。
综合考虑计算效率同时保证数值计算格式的稳定性，本文取空间步长∆x =0.01m ，时间步长∆t =5s ，对半平板空间的离散共得到11个节点。
x TaT 22∂∂=∂∂τ==τT T 00==∂∂x xT δλ=-=∂∂-x T T h xT f )(图 时间-空间区域离散化3、离散方程组对于一维非稳态方程，扩散项采用中心差分，非稳态项取时间向前差分。
扩散项根据时层采用不同的处理方法，得到了三种格式的离散方程组，即显式、隐式、C-N 格式，等式左右分属不同的时层。
（1） 显示差分格式： 内部节点：()]][[]][1[]][[2]][1[]1][[2j i T j i T j i T j i T xt a j i T +-+*-+∆∆*=+左边界：]][0[21]][1[2]1][0[22j T x t a j T xt a j T ⎪⎭⎫⎝⎛∆∆**-+∆∆**-=+ 右边界：()f T j T x k t a h j T x t a j T xt a j T -∆*∆***+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆**-+∆∆**-=+]][10[2]][10[21]][9[2]1][10[22（2） 隐式差分格式： 内部节点：]][[]1][1[]1][[21]][1[222j i T j i T x t a j i T x t a j i T x t a -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∆∆*++⎪⎭⎫⎝⎛∆∆**+-+∆∆* 左边界：]][0[]1][0[)21(]1][1[222j T j T xt a j T xt a -=+∆∆**+-+∆∆**右边界：]][10[2]1][9[)2]1][10[)21(2j T xk t h a j T xt a j T xk t h a +∆*∆***=+∆∆**++∆*∆***+（3）C-N 差分格式：内部节点：()]][1[]][[2]][1[2]][[]1][1[]1][[21]1][1[22222j i T j i T j i T x t a j i T j i T x t a j i T x t a j i T x t a -+-+∆*∆*--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∆∆*++⎪⎭⎫⎝⎛∆∆**+-++∆*∆*左边界：]][1[]][0[)1(]1][1[)]1][0[)1(222j T j T xt a j T xt a j T xt a -∆∆*--=+∆∆*++∆∆*--右边界：fT xk t h a j T xt a j T xt a xk t h a j T xt a j T xt a xk t h a ∆*∆***-∆∆*-∆∆*+∆*∆**--=+∆∆*++∆∆*-∆*∆**--2]][9[]][10[)1(]1][9[)]1][10[)1(22224、计算结果源程序代码： 显式：#include<stdio.h>#include<time.h> #include<cstdlib> #include<math.h> #include<stdlib.h> #include <process.h> double T[11][5000]; main()int i,j;double k;/*µ¼ÈÈϵÊý*/double h;/*»»ÈÈϵÊý*/double a;/*ÈÈÀ©É¢ÂÊ*/double x1,t1;/*x1±íʾλÖò½³¤£¬ti±íʾʱ¼ä²½³¤*/ double T0;/*T0±íʾ³õʼζÈ*/double Tf;/*Tf±íʾ¯ÎÂ*/double p,q;h=174;k=34.8;a=0.00000555;T0=20;Tf=1000;x1=0.01;t1=5;/*T[199][j]=(T[198][j]+h*x1*Tf/k)/(1+h*x1/k);*/for(i=0;i<=10;i++) T[i][0]=T0;for(j=0;j<4999;j++){ T[0][j+1]=2*a*t1*(T[1][j]-T[0][j])/(x1*x1)+T[0][j];for(i=1;i<10;i++){p=a*(T[i+1][j]-2*T[i][j]+T[i-1][j])/(x1*x1);/*q=(T[i][j+1]-T[i][j])/t1;q=p;*/T[i][j+1]=p*t1+T[i][j];}T[10][j+1]=2*h*a*t1*(Tf-T[10][j])/(x1*k)+2*a*t1*(T[9][j]-T[10][j])/(x1*x1)+T[10][j];}for(i=0;i<=10;i++){printf("%f",T[i][4999]);/*´òÓ¡Êä³ö*/printf("\n");}system("pause");}隐式：#include<stdio.h>#include<time.h>#include<cstdlib>#include<math.h>#include<stdlib.h>#include <process.h>double T[11][5000];main(){int i,j;double k;/*µ¼ÈÈϵÊý*/double h;/*»»ÈÈϵÊý*/double a;/*ÈÈÀ©É¢ÂÊ*/double x1,t1;/*x1±íʾλÖò½³¤£¬t1±íʾʱ¼ä²½³¤*/ double T0;/*T0±íʾ³õʼζÈ*/double Tf;/*Tf±íʾ¯ÎÂ*/double A[11],B[11],C[11],D[11],P[11],Q[11];h=174;k=34.8;a=0.00000555;T0=20;Tf=1000;x1=0.01;t1=5;for(i=0;i<=10;i++)T[i][0]=T0;for(j=1;j<=4999;j++){for(i=1;i<=9;i++) A[i]=a*t1/(x1*x1);A[0]=0;A[10]=2*a*t1/(x1*x1);for(i=0;i<=9;i++)B[i]=-(1+2*a*t1/(x1*x1));B[0]=-(1+2*a*t1/(x1*x1));B[10]=-(1+2*a*t1*h/(k*x1))-2*a*t1/(x1*x1);for(i=1;i<=9;i++)C[i]=a*t1/(x1*x1);C[0]=2*a*t1/(x1*x1);C[10]=0;for(i=0;i<=9;i++)D[i]=-T[i][j-1];D[10]=-2*a*t1*h*Tf/(k*x1)-T[10][j-1];for(i=1;i<=10;i++){A[i] = A[i] / B[i-1];B[i] = B[i] - C[i-1] * A[i];D[i] = D[i] - A[i] * D[i-1];}T[10][j] = D[10] / B[10];for(i=9;i>=0;i--)T[i][j] = (D[i] - C[i] * T[i+1][j]) / B[i];}for(i=0;i<=9;i++){printf("%f",T[i][4999]);/*´òÓ¡Êä³ö*/printf("\n");}system("pause");}C-N：#include<stdio.h>#include<time.h>#include<cstdlib>#include<math.h>#include<stdlib.h>#include <process.h>double T[11][5000];main(){int i,j;double k;/*µ¼ÈÈϵÊý*/double h;/*»»ÈÈϵÊý*/double a;/*ÈÈÀ©É¢ÂÊ*/double x1,t1;/*x1±íʾλÖò½³¤£¬t1±íʾʱ¼ä²½³¤*/double T0;/*T0±íʾ³õʼζÈ*/double Tf;/*Tf±íʾ¯ÎÂ*/double A[11],B[11],C[11],D[11],P[11],Q[11];h=174;k=34.8;a=0.00000555;T0=20;Tf=1000;x1=0.01;t1=5;for(i=0;i<=10;i++)T[i][0]=T0;for(j=1;j<=4999;j++){for(i=1;i<=9;i++) A[i]=a*t1/(2*x1*x1);A[0]=0;A[10]=a*t1/(x1*x1);for(i=0;i<=9;i++)B[i]=-(1+a*t1/(x1*x1));B[0]=-(1+a*t1/(x1*x1));B[10]=-(1+a*t1*h/(k*x1))-a*t1/(x1*x1);for(i=1;i<=9;i++)C[i]=a*t1/(2*x1*x1);C[0]=a*t1/(x1*x1);C[10]=0;for(i=1;i<=9;i++)D[i]=-T[i][j-1]-(a*t1/(2*x1*x1))*(T[i+1][j-1]-2*T[i][j-1]+T[i-1][j-1]);D[0]=(-1+a*t1/(x1*x1))*T[0][j-1]-(a*t1/(x1*x1))*T[1][j-1];D[10]=(-a*t1*h/(k*x1)-a*t1*h/(k*x1))*Tf+(-1+a*t1*h/(k*x1)+a*t1/(x1*x1))*T[10][j-1]-a*t1*T[9][j-1]/(x1*x1);for(i=1;i<=10;i++){A[i] = A[i] / B[i-1];B[i] = B[i] - C[i-1] * A[i];D[i] = D[i] - A[i] * D[i-1];}T[10][j] = D[10] / B[10];for(i=9;i>=0;i--)T[i][j] = (D[i] - C[i] * T[i+1][j]) / B[i];}for(i=0;i<=9;i++){printf("%f",T[i][4999]);/*´òÓ¡Êä³ö*/printf("\n");}system("pause");}。
传热学数值计算大作业
数值计算大作业一、用数值方法求解尺度为100mm×100mm 的二维矩形物体的稳态导热问题。
物体的导热系数λ为1.0w/m·K。
边界条件分别为： 1、上壁恒热流q=1000w/m2; 2、下壁温度t1=100℃； 3、右侧壁温度t2=0℃; 4、左侧壁与流体对流换热，流体温度tf=0℃，表面传热系数 h 分别为1w/m2·K、10 w/m2·K、100w/m2·K 和1000 w/m2·K;要求：1、写出问题的数学描述；2、写出内部节点和边界节点的差分方程；3、给出求解方法；4、编写计算程序(自选程序语言)；5、画出4个工况下的温度分布图及左、右、下三个边界的热流密度分布图；6、就一个工况下（自选）对不同网格数下的计算结果进行讨论；7、就一个工况下（自选）分别采用高斯迭代、高斯——赛德尔迭代及松弛法（亚松弛和超松弛）求解的收敛性（cpu 时间，迭代次数）进行讨论；8、对4个不同表面传热系数的计算结果进行分析和讨论。
9、自选一种商业软件（fluent 、ansys 等）对问题进行分析，并与自己编程计算结果进行比较验证（一个工况）。
（自选项）1、写出问题的数学描述 设H=0.1m微分方程 22220t tx y∂∂+=∂∂x=0，0<y<H ：()f th t t xλ∂-=-∂ 定解条件 x=H ，0<y<H ：t=t 2 y=0，0<x<H ：t=t1t 1t 2h ；t fq=1000 w/m 2y=H ，0<x<H ：tq yλ∂-=∂ 2、写出内部节点和边界节点的差分方程 内部节点：()()1,,1,,1,,122220m n m n m nm n m n m n t t t t t t x y -+-+-+-++=∆∆左边界： (),1,,1,1,,,022m n m n m n m nm n m n f m n t t t t t t x x h y t t y y y xλλλ-++---∆∆∆-+++∆=∆∆∆右边界： t m,n =t 2上边界： 1,,1,,,1,022m n m n m n m nm n m n t t t t t t y y q x x x x yλλλ-+----∆∆∆+++∆=∆∆∆ 下边界： t m,n =t 13、求解过程利用matlab 编写程序进行求解，先在matlab 中列出各物理量，然后列出内部节点和边界节点的差分方程，用高斯-赛德尔迭代法计算之后用matlab 画图。
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课程编号：13SD02010340课程名称：传热学上课时间：2014年春季电子元器件散热方法研究姓名：学号：班级：所在学院：任课教师：摘要：随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。
因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。
本文针对电子元器件的散热与冷却问题，综述了当前应用研究中不同的散热和冷却方法，并进行了适当的分析。
关键词热管理; 冷却; 电子器件近些年来,电子技术的快速发展。
电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化,使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长,从而使电子器件的冷却问题变得越来越突出。
如: 大型计算机的芯片热流量已达到了60 W/ cm2,到2000 年已经超过了,目前最高已达到200 W/ cm2。
特别是由于MEMS技术突飞猛进,使得电子元器件的尺寸越来越小,已经从微米量级进入到了亚微米量级。
尽管随着器件或系统尺寸的减小, 消耗功率也会有所减小, 但为了完成一定的任务,可减小的余地非常有限,这使得为系统内的热流密度非常大, 据报道可达, 远远高出航天飞行器回归地球与大气摩擦时产生的惊人的高热流密度。
在微系统中可能出现的高热流密度对于电子器件是致命的, 然而使用传统的冷却技术要使如此高的热流密度在短时间内散去几乎是不现实的; 另一方面, 电子器件工作的可靠性对温度十分敏感, 器件温度在70～80 水平上每增加1, 可靠性就会下降5%。
因而电子产品的开发、研制中必须要充分考虑到良好的散热手段, 才能保证产品的可靠性和表观。
由于电子元器件的小型化、微型化和集成化,所采用的散热和冷却手段必须要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率等特点。
1 电子元器件的散热或冷却方法电子元器件的高效散热问题与传热学、流体力学等原理的应用密切相关。
电子器件散热的目的是对电子设备的运行温度进行控制,以保证其工作的稳定性和可靠性。
这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容。
从应用的角度看,常用的方法主要有: 自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、疏导方式、热隔离方式和PCM 温度控制方法等。
1.1 自然散热或冷却方法自然散热或冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下,实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的,这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式, 其中对流以自然对流方式为主。
自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件,以及密封或密集组装的器件不宜采用其它冷却技术的情况下。
有时,在对散热能力要求不高时也常常利用电子器件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流,在一定程度上提高系统向环境散热能力。
1. 2 强制散热或冷却方法强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动,从而将器件散发出的热量带走的一种方法。
这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。
如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器, 就可尽量使用这种冷却方法。
提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:增大散热面积( 散热片) 和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数( 紊流器、喷射冲击、静电作用) 。
增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热,在实际工程中得到了非常广泛的应用。
工程中主要是采用肋片( 又称翅片) 来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。
肋片式散热器又称气冷式冷板, 如: 型材、叉指、针状等各种型式, 长期、广泛地作为热耗电子器件的延伸表面与所处环境( 主要是空气) 的换热器件。
如, 普通台式电脑芯片上肋片散热器和风扇等。
如果在散热器( 热沉) 上加工上微通道,这样可以减小热沉热阻,进一步提高散热效果。
例如, 冷却大功率半导体激光器的微通道热沉。
对一些较大功率的电子器件, 可以根据航空技术中扰流方法, 在现有型材散热器中增加数小片扰流片在散热器表面的流场中引入紊流可以显著提高换热效果,实践表明,紊流可使对流换热系数增加15% 左右。
当然,散热器本身材料的选择跟其散热性能有着直接的关系。
目前, 散热器的材料主要是用铝经过压铸型加折叠鳍/ 冲压薄鳍而制成的, 铝具有高的热传导率( 198W/ mK ) 和不易氧化的优点。
另外已研制出传导率大于200 W/ mK 的AIN 陶瓷,用这种材料制成的散热器具有高的热传导率、不导电、长期暴露在空气中不会氧化的优点, 这种材料已在电子元件的封装技术和行波管中得到了应用。
此外,用硅材料制作热沉在微型系统中也得到了广泛的应用,通过化学加工方法可以在硅材料上得到理想深宽比的微通道。
1. 3 液体冷却方法对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热,主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。
液体冷却包括直接冷却和间接冷却。
间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触, 而热量经中间媒介或系统( 一般是液体冷板及其辅助装置, 如液冷模块、导热模块、喷射液冷模块、液冷基板从发热元件传递给液体。
直接液体冷却法( 又称浸入冷却) 是指液体与电子元件直接接触, 由冷却剂吸热并将热量带走, 它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高度封装或大功率电子器件的2- D或3-D封装。
例如,对高速计算机的冷却而言更加实用。
通常浸入冷却是把电子器件直接浸在氟化烃溶液中, 利用它进行直接冷却。
Kishio Yo kouchi等人曾提出了一种低冷直接浸入冷却方法, 该方法不仅可以防止气泡聚集在组件顶端产生气泡层而影响产热效果, 而且可以大大地提高组件的冷却效果。
此外, Hrishikesh Panchaw agh 提出了一种振动诱导雾化冷却系统, 这是一种液滴冷却技术。
其特点是: 使用电介质冷却液作为工作介质; 通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率; 内部可以集成控制的软件, 可以被用来冷却芯片。
1. 4 制冷方式的散热或冷却方法制冷从客观上讲, 就是给高温热源提供一个连续低温的热源,使其温度得到控制。
从制冷的方式来讲,在电子器件中采用主要有利用制冷剂相变制冷和Peltier效应制冷。
1. 4. 1 制冷剂的相变冷却这是利用制冷剂发生相变时大量吸收热量的特性, 在特定场合下对电子器件进行冷却。
一般所说的相变冷却主要指制冷剂蒸发从环境吸热, 其包括两种情况: 容积沸腾( 静止液体沸腾, 又叫池沸腾) 和流动沸腾。
IBM公司曾研制出采用浸渍式池状沸腾冷却方案的液体封装组件( LEM),它的换热系数可很高达1700 ～5700 W/ m2·K,组件的热耗量达300W。
然而, 对于相变冷却的应用, 还有一些技术问题尚待解决, 特别是流动沸腾。
在某些情况下, 深冷技术也在电子元器件冷却方面发挥了重要的作用。
如ET A 大型计算机就是使用了深冷技术。
对于某些大功率巨型计算机系统,其芯片的冷却也可以采用了循环效率较高的蒸汽压缩式制冷装置。
这种方法的优点是制冷量及制冷温度范围方面均比较宽广,机器设备结构紧凑,循环效率高。
1. 4. 2 Peltier制冷用制冷的方式来散热或冷却常规的电子元器件, 制冷装置体积小、质量轻、安装和拆卸要方便往往是首要考虑的因素, 而小型的半导体制冷就符合这样的要求。
半导体制冷又称热电制冷, 是利用半导体材料的Pelt ier效应。
当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时, 在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量, 可以实现制冷的目的。
它是一种产生负热阻的制冷技术, 其特点是无运动件, 可靠性也比较高, 主要缺点是效率较低、成本高, 只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。
其散热温度≤100℃;冷却负载≤300W。
1. 5 散热或冷却过程中的能量疏导这里的疏导是指用一种传递热量的传热元件,将电子器件所散发出的热量传递到另外一个地方集中或更高效地向的环境散热。
随着电子电路集成化程度越来越高,各种大功率电子器件容量的逐渐增加, 电子器件或装置物理尺寸越来越小, 这就要求散热装置本身必须具有良好的散热条件。
同时,散热装置的布置和设计遇到的约束也越来越严重。
以微电子芯片为例,目前一般已达到60～90 W/ cm2 , 最高已达200 W/ cm2。
传统的强制风冷只能用于热流密度不大于10 W/ cm2 ,对于这种情况已显得无能为力, 而进一步提高扩展散热面往往受当地空间的限制。
由于热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、流动方向的可逆性、恒温特性( 可控热管) 和良好的环境适应性等优点, 可以满足电子电气设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率等要求。
而且近些年来热管技术已在电气设备、电子元器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面成功地取得了很多应用成果。
由Staio Y, Mochizuki M等人提出在笔记本电脑中引入热管技术给CPU 散热。
他提出了两种散热方式, 一是铰链式散热, 其散热功率可达到10 W;另一种是强制散热在笔记本电脑中的应用, 其散热功率可达12 W。
然而, 对台式电脑、服务器、工作站中的CPU 需要散热的功率可达50～100 W,单个的热管已不能完成散热任务。
为此, Fujikura公司开发了一种称之为“仙人掌”式的热管, 其散热效果与冷风的流速是相关的, CPU 的功耗为80 W, 在风速为2. 5 m/ s情况下, 其热阻为0. 5℃/W。
对常规大功率半导体元件如二极管、可控硅整流器、大规模集成芯片的冷却常规的挤压成形的翅片铝板散热器在散热量达到1000 W以上时,铝板的受热受收到了限制, 而实践表明热管散热其在这方面有着无可比拟的优势,与铝板散热器相比, 其不但重量可减轻50%,而且还可以节省60% 的有用空间。
热管是一种高效率利用相变传热的热传导器,其热阻可以达到每瓦千分之一摄氏度,传热量可以超过50千瓦。
1984年在第五届国际热管会议上,T . P. Cot ter 等人提出微型热管和小型热管( MHP)的理论及展望, 从而引起了热管在电子元器件散热方面的广泛应用。
一般来说,必须按每种用途对热管单独进行设计,特别注意的是热管的毛细管抽吸作用受重力和外力的影响。
热管的最大问题是由于其制造材料、工艺、管内洁净度等问题会导致一段时间后传热性能下降,所以要严格控制其产品质量,进行老化试验同时必须对被冷却的器件进行温度监控。
1. 6 热隔离方法热隔离即传热学中的绝热技术在电子元器件散热和冷却方面的应用。