传热学
传热学知识点总结
第一章§1-1 “三个W”§1-2 热量传递的三种基本方式§1-3 传热过程和传热系数要求：通过本章的学习，读者应对热量传递的三种基本方式、传热过程及热阻的概念有所了解，并能进行简单的计算，能对工程实际中简单的传热问题进行分析（有哪些热量传递方式和环节）。
作为绪论，本章对全书的主要内容作了初步概括但没有深化，具体更深入的讨论在随后的章节中体现。
本章重点：1.传热学研究的基本问题物体内部温度分布的计算方法热量的传递速率增强或削弱热传递速率的方法2.热量传递的三种基本方式(1).导热：依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递。
传热学重点研究的是在宏观温差作用下所发生的热量传递。
傅立叶导热公式：(2).对流换热：当流体流过物体表面时所发生的热量传递过程。
牛顿冷却公式：(3).辐射换热：任何一个处于绝对零度以上的物体都具有发射热辐射和吸收热辐射的能力，辐射换热就是这两个过程共同作用的结果。
由于电磁波只能直线传播，所以只有两个物体相互看得见的部分才能发生辐射换热。
黑体热辐射公式：实际物体热辐射：3.传热过程及传热系数：热量从固壁一侧的流体通过固壁传向另一侧流体的过程。
最简单的传热过程由三个环节串联组成。
4.传热学研究的基础傅立叶定律能量守恒定律+ 牛顿冷却公式+ 质量动量守恒定律四次方定律本章难点1.对三种传热形式关系的理解各种方式热量传递的机理不同，但却可以（串联或并联）同时存在于一个传热现象中。
2.热阻概念的理解严格讲热阻只适用于一维热量传递过程，且在传递过程中热量不能有任何形式的损耗。
思考题：1.冬天经太阳晒过的棉被盖起来很暖和，经过拍打以后，效果更加明显。
为什么？2.试分析室内暖气片的散热过程。
3.冬天住在新建的居民楼比住旧楼房感觉更冷。
试用传热学观点解释原因。
4.从教材表1-1给出的几种h数值，你可以得到什么结论？5.夏天，有两个完全相同的液氮贮存容器放在一起，一个表面已结霜，另一个则没有。
传热学的名词解释
传热学的名词解释传热学是研究热量从一个物体传递到另一个物体的学科。
它是热力学和流体力学的重要分支，关注的是热量在固体、液体和气体等物质之间的传递过程。
在工程领域中，传热学起着至关重要的作用，它涉及到许多重要的名词和概念，本文将对一些传热学的重要名词进行解释和阐述。
热量传递的方式有三种基本形式：传导、对流和辐射。
1. 传导：传导是热量通过物质内部的分子热传导而进行的传热过程。
当物体的一部分被加热时，其分子会通过碰撞将热量传递给相邻的分子，从而使整个物体升温。
传导过程中，物质的导热性质起着重要作用，表示物质导热能力的物理量称为热导率。
热导率越大，热量传导速度就越快。
常见物质如金属具有较高的热导率，而绝缘材料则较低。
2. 对流：对流是热量通过流体内部的传热过程。
当一个物体加热时，沿着其表面流动的流体会受热膨胀，形成对流循环。
对流过程中，流体的热量由热源处传递到周围环境。
对流传热现象在自然界常见，如自然对流中的空气循环、大气环流等。
对流传热与流体的性质有关，如流体的黏性、密度等。
3. 辐射：辐射是热量通过热辐射而进行的传热过程。
热辐射是处于高温的物体向低温物体传递热量的一种无需媒介的方式。
辐射传热与物体的温度及其表面的发射率有关。
发射率是指物体辐射出的热量与理论上能辐射出的最大热量之比。
不同物质的发射率不同，黑体的发射率为1。
当两个物体表面温度存在差异时，高温物体会以辐射的形式向低温物体传递热量。
在实际应用中，我们经常会遇到一些与传热学相关的重要概念。
1. 热扩散：热扩散是指热量通过物体内部的传导方式进行传递的现象。
当一个物体的一部分受热时，其分子振动加剧，相邻分子通过碰撞传递热量，从而使得整个物体均匀升温。
热扩散现象在许多工程和科学领域中具有重要的影响，例如材料加工、电子器件散热等。
2. 导热方程：导热方程是描述物体内部温度分布随时间变化的偏微分方程。
它基于热扩散的传导机制，可以用来模拟和计算物体内部的温度变化。
传热学知识点总结
传热学知识点总结本文将围绕传热学的基本概念、传热方式、传热方程、传热实验和应用等方面进行详细的介绍和总结，以便读者更好地了解传热学的相关知识。
一、传热学的基本概念1. 热量传递热量传递是指物体内部或物体之间由于温度差异而产生的热量的传递过程。
热量的传递方式主要有传导、对流和辐射三种。
2. 传热方程传热方程描述了物体内部或物体之间热量传递的数学关系，是传热学的基础理论。
传热方程一般包括传热率、温度差和传热面积等参数，可以用来计算热量传递的速率和大小。
3. 传热系数传热系数是描述物体材料对热量传递率影响的重要参数，通常用符号h表示。
在物质传热过程中，传热系数的大小直接影响热量的传递速率。
4. 传热表面积传热表面积是指在热量传递过程中热量流经的表面积，是计算热传递速率的重要参数。
传热表面积的大小与物体的形状和大小有关，也与传热方式和传热系数有关。
5. 热传导热传导是一种物质内部热量传递的方式，指的是热量通过物质内部原子、分子之间相互作用的传递过程。
热传导是传热学的基本概念之一。
6. 热对流热对流是一种物体表面热量传递的方式，指的是热量通过流体传递到物体表面，然后再由物体表面传递到其它介质的传热过程。
7. 热辐射热辐射是一种通过电磁波传递热量的方式，是物体之间没有接触的情况下进行热量传递的重要方式。
热辐射是传热学的另一个基本概念之一。
二、传热方式1. 传导传热传导传热是指热量通过物质内部的原子、分子的直接作用而传递的方式。
在传导传热过程中，热量的传递是从高温区向低温区进行的，其传热速率与温度差和物质的传热系数有关。
2. 对流传热对流传热是指流体传热传递的方式，包括自然对流和强制对流两种。
在对流传热过程中，流体的流动是热量传递的主要形式，其传热速率与流体的流速、温度差和传热面积有关。
3. 辐射传热辐射传热是通过电磁波传递热量的方式，是物体之间没有接触的情况下进行热量传递的重要方式。
在辐射传热过程中，热量的传递不依赖于介质，而是通过电磁波的辐射进行的。
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原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的可宏编观辑课规件 律。
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2 、导热的基本规律
❖ 1 ）傅立叶定律 ❖ （ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀
恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于
x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根
据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热
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b 微电子： 电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
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三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 ）理论性、应用性强
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
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二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如：
(1) 日常生活中的例子：
❖ 3 、研究方法
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
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由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但 是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方 程），但不能确定物体内温度分布。
传热学
传热学1、试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。
答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。
联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。
导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。
2、以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。
试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
答：①傅立叶定律：q = -λdt /dx，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dt/dx－沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。
②牛顿冷却公式：q = h (t w -t f ) ，其中，q －热流密度；h －表面传热系数； t w－固体表面温度；t f－流体的温度。
③斯忒藩－玻耳兹曼定律：q =σT 4，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。
计算题：1、1mol 单原子理想气体从300K加热到350K，(1) 容积保持不变；(2) 压强保持不变；问：在这两过程中各吸收了多少热量？增加了多少内能？对外作了多少功？2、有一定量的理想气体，其压强按p= C/V2的规律变化，C是常量。
求气体从容积V1增加到V2所作的功。
该理想气体的温度是升高还是降低？3、2mol 的氮气，在温度为300K、压强为1.0×105Pa时，等温地压缩到2.0×105Pa。
求气体放出的热量。
4、压强为1.0×105Pa ，体积为0.0082m3的氮气，从初始温度300K 加热到400K ，加热时(1) 体积不变，(2) 压强不变，问各需热量多少？哪一个过程所需热量大？为什么？5、有一热机工作于500°C 和300°C 两个热源之间，该热机每分钟从高温热源吸热100kJ ，问低温热源放热85kJ ，试问该热机是否为卡诺机?热效率为多少?(10分)解：ηt =1-Q 2/Q 1=1-85/100=15% （3分）η tK =1-T 2/T 1=1-(300+273)/(500+273)=25.9% （3分） 因为η t <η tK 所以该循环不是卡诺循环，热效率为15% （4分）6、压缩空气输气管上接一出口截面面积A 2=10cm 2的渐缩喷管，空气在喷管之前压力P 1=25bar ，温度t 1=80℃；喷管出口处背压P b =10bar 。
传热学
传热学第一章绪论1.传热学的定义: 研究由于温度差而引起的热能传递规律的科学.2.热流量（heat transfer rate）：单位时间内通过某一给定面积A的热量，记为Φ，单位为 W3.热流密度（或称面积热流量）:通过单位面积的热流量，记为q，单位是 W/m24.稳态过程与非稳态过程稳态过程：热量传递系统中各点温度不随时间而改变的过程非稳态过程：各点温度随时间而改变的过程5.热传导的定义：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而产生的热量传递过程1）导热是物质的固有属性2）固、液、气等均具有一定的导热能力3）纯导热只发生在密实的固体和静止的流体中导热现象的判断？1）有温差；2）密实固体或静止流体6.模型一平壁稳态导热.影响因素:平壁面积,厚度,温差平壁稳态导热的计算公式：7.λ —热导率，又称导热系数.单位：W/(m·K) (热物理参数)8.热对流：流体中温度不同的各部分发生相互混合的宏观运动而引起的热量传递现象特点: 1）发生在流体中2）流体内部必须存在温差3）流体必须有宏观运动4）伴随着热传导9.对流传热：流动的流体与温度不同的固体壁面间的热量传递过程.(热对流的一种方式,传热学研究方式).分类:按流体流动的起因：1）自然对流、自由对流：流体冷、热各部分密度不同而引起的2）受迫对流、强迫对流：流体的流动是在外力（在泵或风机）作用下产生的技巧：给出流体速度的为强迫对流按流体有无相变：1）无相变的对流传热2）有相变的对流传热：沸腾换热、凝结换热10.如何判断对流传热1）发生在壁面和流体之间：参与物质类型2）壁面和流体存在温差：热量传递的前提3）流体要运动：速度体现一定不要遗漏自然对流11.对流传热的计算—牛顿冷却公式（对流传热的热量传递速率方程）当流体被加热时：当流体被冷却时：h-表面传热系数(过程量)，W/(m2·K)13.热辐射：由于自身温度（热）的原因而发出辐射能的现象（heat radiation）1）辐射传热：物体之间因为相互辐射、相互吸收而引起的热量传递过程2）理想物体：绝对黑体，简称黑体（能够全部吸收投射到其表面上辐射能的物体）14.黑体辐射的斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltamann）定律实际物体的辐射能力：注意：1）σ—斯忒藩-玻耳兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4) 2）ε—发射率（emissivity），习惯上也称为黑度，物性参数15.理想模型2—两平行黑体平板间的辐射传热（相距很近，表面间充满了透明介质）16.理想模型3—非凹表面1包容在面积很大的空腔2中注意：1）辐射传热必须采用热力学温度2）注意公式的使用条件3）“动态平衡”的含义（p8）17．导热、对流与辐射的辨析：1）导热、对流只在有物质存在的条件下才能实现；热辐射不需中间介质（非接触性传热）2）辐射不仅有能量的转移，而且伴随能量形式的转换；3）辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程；4）辐射能力与其温度有关，导热、对流与温差有关；导热与对流的辨析：气、液、固均具有导热能力，纯导热只发生在静止的流体中；对流只发生在流动的流体中；18．传热过程：热量由固体一侧的高温流体通过固体壁面传给另一侧低温流体的热量传递过程 。
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传热学
油气储运工程09级
热扩散率：a ( c) ① ɑ越大，表示物体受热时，其内部温 度扯平的能力越大。 ② ɑ越大，表示物体中温度变化传播的 越快。所以，ɑ也是材料传播温度变化能力大小的指标，亦称 导温系数。 典型一维稳态导热问题： t t 平壁导热 (A ) q 面积热阻RA ：单位面积的导热热阻称面积热阻。 热阻R：整个平板导热热阻称热阻。 圆筒壁的导热： 2 l (t t ) = (t t ) Φ
油气储运工程--- Oil & gas storage and transportation engineering
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油气储运工程09级
国际单位制中的7个基本物理量： 长度[m]，质量[kg]，时间[s]，电流[A]，温度[K]，物质的量 [mol]，发光强度[cd] 相似原理的重要应用： 1.相似原理在传热学中的一个重要的应用是指导试验的安排及试 验数据的整理。 2.相似原理的另一个重要应用是指导模化试验。 自然对流亦有层流和湍流之分。 自然对流传热可分成大空间和有限空间两类。 gtl 3 Gr 数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。 2 瑞利数： Ra Gr Pr
油气储运工程--- Oil & gas storage and transportation engineering
传热学
油气储运工程09级
第六章 相似原理及量纲分析
同类现象:用相同形式且具有相同内容的微分方程式所描述的现象。 相似的概念:对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻及相应的 地点与现象有关的物理量一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。 判别两现象相似的条件： ①只有同类现象才能谈相似。 ②单值性条件相似：初始条件、边界条件、几何条件、物理条件。 ③同名的已定特征数相等。 获得相似准则数的方法：相似分析法和量纲分析法。 相似分析法：在已知物理现象数学描述的基础上，建立两现象之间 的一些列比例系数，尺寸相似倍数，并导出这些相似系数之间的关 系，从而获得无量纲量。 量纲分析法：在已知相关物理量的前提下，采用量纲分析获得无量 纲量。
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(完整PPT)传热学contents •传热学基本概念与原理•导热现象与规律•对流换热原理及应用•辐射换热基础与特性•传热过程数值计算方法•传热学实验技术与设备•传热学在工程领域应用案例目录01传热学基本概念与原理03热辐射通过电磁波传递热量的方式，不需要介质，可在真空中传播。
01热传导物体内部或两个直接接触物体之间的热量传递，由温度梯度驱动。
02热对流流体中由于温度差异引起的热量传递，包括自然对流和强制对流。
热量传递方式传热过程及机理稳态传热系统内的温度分布不随时间变化，热量传递速率保持恒定。
非稳态传热系统内的温度分布随时间变化，热量传递速率也随时间变化。
传热机理包括导热、对流和辐射三种基本传热方式的单独作用或相互耦合作用。
生物医学工程研究生物体内的热量传递和温度调节机制，为医学诊断和治疗提供理论支持。
解决高速飞行时的高温问题，保证航空航天器的安全运行。
机械工程用于优化机械设备的散热设计，提高设备运行效率和可靠性。
能源工程用于提高能源利用效率和开发新能源技术，如太阳能、地热能等。
建筑工程在建筑设计中考虑保温、隔热和通风等因素，提高建筑能效。
传热学应用领域02导热现象与规律导热基本概念及定律导热定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。
热流密度单位时间内通过单位面积的热流量，表示热量传递的强度和方向。
热传导定律描述导热过程中热流密度与温度梯度之间关系的定律，即傅里叶定律。
导热系数影响因素材料性质不同材料的导热系数差异较大，如金属通常具有较高的导热系数，而绝缘材料则具有较低的导热系数。
温度温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高，导热系数会增加。
压力对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程稳态导热物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。
在稳态导热过程中，热流密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。
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镁合金激光-TIG复合热源焊接热源模型学院：材料学院专业：材料加工工程学号：姓名：指导教师：江苏科技大学2015年4 月11 日镁合金激光—TIG复合焊接热源模型与热过程1 前言镁合金被称为“21世纪绿色工程材料”。
镁合金是目前被国内外重新认识并积极开发的一种轻量化材料,具有低密度、高比强度、阻尼减震性好、易机械加工以及良好的可回收性等优点。
高效合理的镁合金焊接方法将大大推动镁合金的发展与应用。
激光--电弧复合热源焊接具有高速、高效、接头质量优异等特点,目前正在被国内外的研究者日益关注。
对这一过程的焊接数值模拟研究有助于更深层次地理解过程的物理机制,从而实现指导焊接工艺、控制焊接质量的目的。
目前，YAG激光--TIG复合热源焊接AE31B镁合金已经被证明是一种可行而且高质量的焊接工艺[1], 迫切需要数值模拟工作对这一过程进行指导,并通过数值模拟更深层次的理解复合热源焊接这一过程。
但目前复合热源的数值模拟工作开展的却非常有限。
其中一个主要原因是复合热源焊接热源模型一直解决得。
首先，高能束激光焊接的热源模型虽然经过线热源、面热源、柱状热源乃至双椭球体热源的变迁,始终没有得到很好的解决; 其次激光、电弧两热源之间存在着一定的物理机制, 需要考虑热源之间的能量影响关系。
在复合热源焊接工艺研究的基础上,结合镁合金材料特点,建立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的复合热源模型:高能束激光热源由旋转高斯体热源描述;TIG电弧则由高斯面热源描述。
热源模型的建立充分考虑了过程的物理特点与热源间的能量增强效应。
1.1激光--电弧复合热源焊接概况激光--TIG电弧复合热源焊接的特点是YAG激光、TIG电弧这两种不同物理性质与能量传输机制的热源同时作用于焊接区。
这种方法克服了单独采用激光和单独采用TIG电弧焊接的缺点,并且两种热源相互藕合获得了更大能量形式。
其原理如图1.1。
其在实践中的优点却是非常明显的:速度快,桥接能力强,焊接变形小,焊接过程稳定,焊接质量和效率高等[2-4]。
激光--电弧复合热源焊接方法由英国学者Steen提出于上世纪70年代末,他们首次采用相对低功率的CO2激光和TIG电弧进行了复合焊接。
试验结果表明激光--TIG复合热源在一定程度上解决了激光能量利用率低,焊接厚度增大导致生产成本剧增的问题[5]。
而后，美国、日本等国家的研究人员对激光一电弧复合热源焊接展开了较为深入的研究,发现在附加低成本电弧可以增加常规激光焊的焊接速度,或是改善一些特殊材料(如铝合金)焊接时的焊接性;激光束与电弧的夹角、电弧电流大小和输出形式、激光功率、排布方向、作用间距和电弧高度、保护气体流量等都是影响复合效果的主要因素[6]。
J. Matsudall[7]进行了一系列的激光与TIG电弧复合焊接的试验,对激光与电弧相对位置、光束聚焦位置等参数进行了讨论,认为单独TIG焊接时的咬边等缺陷得到了改善,并且复合焊缝熔深比单独激光焊接大1.3一2倍。
Nait[8]分析激光--TIG 电弧复合焊接304不锈钢板的焊接特性。
在焊接过程中监测了电弧电压的变化,同时还通过CDC摄像机和实时大连理工大学硕士学位论文射线监测观察到了电弧等离子体,激光致等离子体以及锁孔的特征和熔池的流动等特征。
国内天津大学的赵家瑞教授[9]在这方面起步较早,1990年他们就利用CO2激光--TIG复合进行了2.3~厚的ICr18BigTi不锈钢复合焊接试验,并研究了激光与TIG电弧复合相互作用的机理。
哈尔滨工业大学的陈彦宾教授等人先后开展CO2激光--TIG旁轴、向轴复合焊接试验[10]。
大连理工大学对镁合金复合热源焊接性进行了深入的研究,探索出镁合金激光—氩弧复合热源新技术[11],并且就复合热源最佳能量配比关系等机理问题进行了更加深入的研究工作。
1.2常用焊接热源模型简介（1）高斯热源分布模型高斯函数的热流分布是一种比点热源更切实际的热源分布函数(如图1.2),因为它将热源按高斯函数在一定的范围内分布,其函数为:q(r)=q(o)e-cr2式中:q(r)为半径r处的表面热流;q(o)为热源中心处的热流量最大值;。
为热源集中系数,是与焊接方法相关的常数;r为距热源中心的距离。
图1.2高斯热源分布模型(2)双椭球热源分布模型双椭球能量密度分布[12]的热源模式假设热源为椭球状分布(如图1.3),前半部分椭球能量分数为f f,后半部分椭球能量分数为f f。
则在前半部分椭球内热源分布对后半部分椭球分布:图1.3双椭球热源模型(3)旋转高斯体热源模型采用电子束和激光束流进行加热的高能束焊接属于深熔型焊接过程。
由于存在小孔效应,束流可以沿深度方向上对工件进行加热,因此在数值模拟中描述焊接热输入过程时多采用体热源模型,如双椭球热源模型、Guass圆柱热源模型和热流密度均匀分布的柱状热源模型等。
与面热源模型相比,体热源模型考虑了深度方向上的能量吸收,因而能够获得较为准确的模拟结果。
但是,在计算焊接温度场时,采用这些热源模型所计算出的焊缝(熔池)形状都是窄而长的,与实际焊接中得到的具有较大深宽比的“钉头”状焊缝有很大出入。
当高能束流入射到工件表面时,近表面处的材料首先受到束流的急剧加热,熔化形成熔池,造成该处的有效加热半径较大;由于束流具有穿透机制,在沿工件深度方向上会形成窄长的匙孔,而匙孔内部的加热主要靠孔壁上的能量吸收,有效加热半径较小。
以往的热源模型未能深入考虑这种能量分布方式,因此不能准确模拟高能束焊接过程温度场。
然而,进行焊接过程数值模拟时,正确的热应力分析是建立在对焊接温度场准确分析的基础上的。
以往研究结果认为,高能束焊接接头近缝区和热影响区的组织行为以及应力分布与焊缝形状有密切关系,应采用能够正确模拟实际焊缝形状的热源模型来进行数值模拟。
旋转高斯体热源[13]模型考虑了激光焊接小孔效应机制、匙孔壁的能量传递及其有效加热半径很小的物理特点。
模型满足如下条件:(1)模型在Z向上的截面均为圆,且截面上的热流密度服从高斯分布,在圆心处的热流密度q(0,z)达到最大值;(2)Z轴上各处的热流密度值相同,即q(0,z)=const。
热源有效作用区域内任意一点的热流密度值是热源高度,热源有效功率以及热源开口半径的函数。
图1.4旋转高斯体积热源模型图1.5热源模型表达2复合焊接热源模型的建立深熔YAG激光属于一种高能束热源,能量作用有效半径很小,但能量密度很高,可使材料瞬时熔化或汽化,并产生焊接匙孔,焊后形成深宽比较大的熔池形状。
TIG 电弧则相对有效作用区域较大,能量密度较小。
两者的结合可以降低材料对激光的反射以提高能量利用率,激光产生的小孔效应压缩TIG电弧使电弧能量更加集中,从而有效地提高了焊接速度与焊接效率。
热源模型建立在YAG深熔激光焊旋转高斯体热源与TIG电弧高斯面热源的基础之上。
其中、YAG激光采用的旋转高斯体热源是一种新型的高能束焊接热源模型,这种模型物理意义清晰明确,考虑了激光焊接小孔效应机制、匙孔壁的能量传递及其有效加热半径很小的物理特点。
TIG焊接热源则选择的是在数值模拟中较成熟的高斯面热源模式[14]。
这种模型将热源按高斯函数在一定范围内沿二维分布,其热源模型的数学表达式为:式中YAG激光一TIG复合热源焊接热源模型建立在上述提到的两种热源模型上,但是由于复合热源焊接过程并不是激光焊与TIG焊两种焊接过程的累加,所以复合热源焊接热源模型也决不是简单的两热源迭加,因为在复合热源焊接过程中激光与电弧存在着一定的物理机制。
如前所述,激光提高了电弧的利用率,对应着复合热源电弧部分的高斯面热源模型中热效率专加大,在对镁合金AZ31复合热源焊接的数值模拟过程中,在模型建立过程中通常使值增大0.1;激光对电弧的吸减小,同样针对镁合金引压缩作用,使电弧收缩,对应着热源模型中的有效半径rAZ31复合焊接,在热源模型建立过程中,通常使正常TIG焊接的热源有效半径r0降低0.5mm。
而由于电弧的加入,激光的利用率大大提高,对应着旋转高斯体热源模型中的热源有效功率P大大增加,对于镁合金这种高反射率的金属,在模拟中把激光利用率提高到75%。
上述热源模型的参数调节基于与工艺试验结果反复比较论证的基础之上。
另外在小功率YAG激光独立焊接镁合金的时候,在焊接速度v较高的情况下难以形成深熔焊,此时激光焊接热源模型应采用高斯面热源模式。
2.1复合热源焊接数值模拟发展概况在国内外,激光--电弧复合热源焊接的研究并不特别广泛,所以关于其数值模拟方面的研究也很有限。
但早在复合热源焊接理论刚刚提出的时候,研究者们就概括提出了模拟中应该一定程度地提高电弧焊接的热效率及提高电弧热效率对接头形状模拟结果的影响[15]。
近年来,美国学者系统地对激光一如G电弧复合焊接钢进行了流场、温度场,传质、传热的分析[16],并且考虑了激光的小孔效应及等离子体的影响。
2003年哈工大的陈彦宾对CO2激光--TIG复合焊接钛合金做了数值模拟工作,其热源模型建立在激光为点一线组合热源,TIG为面热源的基础上,而且其考虑了大电流情况下等离子体对激光的屏蔽作用,得到了较为满意的结果[17]。
另外罗马尼亚学者也进行了激光--TIG复合热源的数学计算模型的建立工作,并用其来解决钢中氢致裂纹的问题[18]。
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